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弹性分组环(RPR)协议简介

2/14/2005来源:光纤通信人气:8952

方 亮 大唐电信光通信分公司
  摘要: 弹性分组环(RPR)是一种新的MAC层协议,是为优化数据包的传输而提出的,目前正由IEEE 802.17工作组进行标准化。本文对该协议的主要目标、特点、标准化情况进行简要说明。
  关键词:弹性分组环 RPR RPT DPT
  一、前言
  ip技术的发展,使得数据业务逐渐成为主要的通信流量,这对城域网(MAN)和广域网(WAN)都提出了更高的带宽要求。对于建一个好的MAN来说,有两个要求:首先,要有一个价格合理的、扩展性好的解决方案来适应不断膨胀的IP流量和光纤带宽的增长;其次,要有新的通用功能部件和技术来满足现有的需要。但传统的城域网和广域网是为使用SONET/SDH电路交换的话音和视频而设计和优化的。在传统的电路交换网络上传输数据已被证明不是有效的方法,该方法复杂而且昂贵。
  IP领域很早就认识到了环形网络结构的价值,并已在这方面作了大量努力,发展了象令牌环和光纤分布数字接口(FDDI)这样的解决方案;但这些方案却无法满足IP流量和光纤带宽增长的需要,也无法满足在拥塞情况下维持高的带宽利用率和转发量、保证节点间的平衡、迅速从节点或传输媒体故障中恢复、可即插即用等IP传输和业务传递发展的需要。因此,像令牌环和FDDI这样的环形网并不适合用于城域网。服务提供商和企业需要一种扩展性好、能够健壮地应用在城域网和广域网上、以千兆的速度传输IP信息包的技术。
  因此,2000年11月正式成立了IEEE’s 802.17 弹性分组数据环工作组(RPRWG),希望开发一个RPR (Resilient Packet Rings) MAC标准,优化在LAN、MAN和WAN拓扑环上数据包的传输。
  二、RPT的主要目标
  弹性分组数据传送RPT(Resilient Packet Transport)是基于RPR环形结构的一种带空间复用的传输方式,是一种全新的千兆IP直接Over光纤技术。RPT技术吸收了千兆以太网的经济性,SDH对延时和抖动严格保障、可靠的时钟和50ms环网保护特性。RPT具有空间复用机制,可同MPLS相结合,简化IP前传,同时具有第三层路由功能,基于RPT技术的设备可以承载具有突发性的IP业务,同时支持传统语音传送,是适用于中小型城域网骨干到接入的技术。
  RPT的目标主要集中在三个方面:带宽效率、保护机制、简化业务的提供。
  ★带宽效率
  传统的SDH网络中有50%的环带宽是冗余的,RPR采用双环结构传输控制信息和数据信息,同时仍然维持SDH APS类似的保护机制。通过在源节点和目的节点之间的段上两个方向传输数据,实现空间复用。目的节点从环上剥离单播包,当一个包从环上被“剥离”时,它就不再消耗环上的带宽,在下游段上就可被其它信息包自由使用。
  ★保护与恢复
  RPR的目的是提供与SDH APS相似的50ms的保护倒换保证。正在考虑方法有两种,一是“环回”(wrap)方式,另一是将数据流“绕开”故障点。当“环回”时,靠近故障的节点将数据流“环回”到另一个环上(如,内环数据流到外环),通过长路径,允许数据流维持与目的节点之间的连接。“绕开”方式实际上是通过改变路径棗走长路径,将数据流传送到目的节点。也可以将两种方式联合起来使用,故障以外的节点首先采用“环回”方式,然后在方便时才用“绕开”方式。
当完全采用沿相反方向传送的光纤时,就能提供这种保护特性。流的优先级机制能确保高优先级流得到适当处理,而在出现故障时,则尽力传送。
  ★简化业务提供
  RPR的一个目标就是分布接入,再加上快速保护和自动重新建立服务,为快速插入和删除节点提供即插即用的机制。
  RPR也包括在一个环上共享带宽的包交换技术,节点知道环的容量。在传统的基于电路模型下,全网状连接需要O(n2)个点到点连接,而RPR只需要一个与环的连接就行,大大简化了工作。
  三、RPR的主要特性与关键技术
  虽然RPR还处于标准化进程中,但其基本特性已经确定,主要有:双环结构、空间复用、带宽动态分配、公平接入、统计复用等方面。下面简要说明。
  1. 双环结构
  RPR的典型用法是由两根反向光纤组成环形拓扑结构(图1),其中一根光纤是顺时针,一根光纤是逆时针。这样,节点在环上有两个方向会到达另一节点。RPR环上的每一根光纤上既发送数据,又传输同向控制信号。控制信号以最高优先分组的方式发送。RPT COS分类有严格的定义,最高优先级业务不受优先级业务影响。因此,控制信号不受数据业务影响。同时,控制信号也不依靠反向光纤,因此,RPT支持单纤组环。RPT环现可支持双向1G、2.5G数据传送,并可支持WDM方式数据传送。
  2. 空间复用技术
  对RPR环上的多个节点而言,要求它具有包交换的能力,包长度可变;具有802地址,即包头有802类型的源地址和目的地址。同时,还要求它具有空间复用能力,这是通过空间复用技术SRP(Spatial reuse protocol)实现的。SRP是一种与媒体无关的MAC层协议,可以用于各种物理层技术之上。RPT不依赖于物理层媒质,可以使用以太网物理层、SDH物理层或支持DWD系统的波长,SRP的本质是将链路上的资源分为若干通路,由IP分组到达节点来决定通路的建立和选路,源节点在环内某一段上通过分配带宽产生通路,通过寻址IP分组的目的地和利用分配的带宽在通路上传送IP包,特定通路上业务流与链路上其他业务流隔离,因此,一旦通路被分配,对这一通路就不存在网络资源竞争。空间复用技术最初应用于SDH复用段保护(MSP)或SONET BLSR,指环上的带宽可被各个节点公平使用。摽占湓儆脭意味为在目的地节点收到净荷后卸载净荷,以便带宽再用。例如图2中,业务经过A点到达B节点下环,SRP允许新业务从B节点插入并经C传送到D节点。
  3.带宽动态分配
  RPT根据用户需求分配带宽,而不象SDH那样分配固定时隙。对于保护,也没有象基于电路的保护那样,为保护保留带宽。
  4.环上公平接入
  环上节点没有主从之分,每个节点均可独立地发现2层拓扑,支持即插即用。
  5.具有弹性
  指发生故障时,将一个环上的业务环回(Wrapped)到另一个环上,或源节点重新计算路由,以提供50msec的保护恢复性能。
  在正常状态下,从节点6到节点2的数据包选择外环的短路径。当节点1和2间的节点或光纤断开,数据包在节点1从外环环回到内环,从内环的长路径将数据包传送到节点2。
  6.支持COS
  在报头表明服务等级COS以支持环上的多种流量优先级,有效支持IP突发业务和语音传送业务。RPT技术为数据业务和语音业务提供了一个L2统计复用的平台。不论是语音业务还是数据业务,接入之后,可在同一带宽上传送,由于所有业务共享带宽,大大提高了网络带宽利用率。
小结起来,RPT有如下特点:
  ▲空间再用:一根光纤环可以分段传输数据。
  ▲双环结构:两根光纤同时传输数据,使带宽提高两倍。
  ▲公平机制:所有节点对带宽具有同等的控制权,从而为带宽的统计复用提供最佳的保证。
  ▲统计复用:网络带宽分段使用,且任意节点间富余的带宽可以被其他节点所使用,以成倍提高可用带宽。
  ▲可靠性:可以提供比SDH的自动保护倒换(APS)更好的网络自愈功能,可以在50ms内恢复IP业务,不需要路由表的重新收敛。
  ▲IP业务映射:可以直接映射和支持IP包的优先级,直接支持IP包的广播以及其他业务控制功能。
总的来说,RPR适应大容量的城域网骨干层,适合负载分布为枢纽型情况,在RPR在网络容量不大时,设备投资较高,RPR在均匀分布的负载情况时,SRP失去效果。
  7.RPR与其它技术的比较
  RPT与其它技术相比,最大的特点是具有LAN的经济性,同时有具有可靠的保证语音传送的手段、网络带宽可充分被利用,同时简化IP前传方式。
  ★RPR vs SDH
  SDH传输数据业务时,主要的不足之处在于:随着数据流大量增加,SDH并不是经济有效的,表现在:面向电路的静态带宽分配对数据包传输而言不是有效的;非工作的、保护带宽资源被浪费;服务的提供很慢。 而RPT在保证语音传送的同时有效支持具有突发性的IP业务,带宽可以统计复用,可提供大量的高速以太网口。并提供不同等级的服务和基于不同等级的环网保护功能,这是SDH所不具备的;同时RPT基于源路由倒换,而SDH基于复用段保护,在空间复用技术的支持下,基于源路由的环保护倒换可节省出SDH复用段保护倒换所经过的环回处的带宽。
  ★RPT vs 千兆以太网
  RPT帧格式类似于千兆以太网,RPT端口具有千兆以太网端口的经济性。但在信令交换和传送机制上有本质的区别。首先,以太网存在三点不足:扫描树不允许多节点组成环形拓扑结构;提供保护很慢;用户或服务在2层隔离,不便于升级,通常需要MPLS或基于3层的隔离。这样千兆以太网在可靠性、扩展性等方面不能满足大型服务性运营商网络的需求,其技术路线的核心为简单地提高传输带宽和交换容量,而在其他方面较少突破。千兆以太网技术的主干可靠性一般由所谓的TRUNK技术来提供,不能满足大型营运级IP网络的要求。千兆以太网的VLAN虽然实行了对用户的隔离,但每个VLAN具有不同的SIP树。大量的VLAN维护耗费的网络处理资源。SIP不具有负载均衡功能,并且拓扑更新十分缓慢。换言之,千兆以太网技术以其低价、简单的技术路线,更适合于园区网主干。
  而RPT则可和MPLS相结合,可在公网上为用户提供具有可扩展性的IP服务,同时又具有千兆以太网的经济性;同时,RPT通过一系列机制保证提供可靠的时钟和延时、抖动保障,有效支持语音业务,这是千兆以太网技术所不具备的。
  ★RPT vs POS
  RPT和POS(Packet Over SDH)一样,避免了ATM技术的协议复杂性和过高的信头开销,并且直接将千兆IP通过弹性分组数据帧格式(类似以太网帧格式)适配在光纤上,无需进行IP包的拆分和重组,从而大大提高了交换机的处理能力,并降低了设备的价格。RPT可提供动态使用带宽的功能,使带宽利用率大大提高,避免了POS点到点连接的局限性,减少了端口数。
  ★RPT vs DPT
  RPT和DPT(Dynamic Packet Transport)同属IEEE802.17工作组研究内容,工作原理相似,但RPT在性能和服务上比DPT技术先进很多:
  (1)RPT有同步机制和严格的延迟和抖动的保障,可对传统语音提供服务;而DPT不支持。
  (2)RPT提供严格的COS分类,可靠保障高优先级业务的服务;而DPT则提供相对严格的服务等级分类。
  (3)RPT控制信令可沿光纤环同向传送,不依赖反向光纤;而DPT则沿反向光纤传送控制信息。这样利用RPT可组成单纤环。
  (4)RPT提供基于源路由的50ms环网保护机制,相对于DPT环保护的“折回”方式更节约带宽。
  四、RPR的标准化进程
  RPT协议概念的提出是由市场方面的需求所推动的。因此,RPT一经提出,便受到各方面的重视。在很短的时间内,多个国际标准化组织相应成立相关工作组,进行标准化工作。而且,将多厂家设备互通作为一个重要的议程。
  现在,在国际方面,有3个国际组织在进行RPT的标准化工作,包括IEEE、IETF和RPR联盟。这3个组织间互相协作,各有分工。
  ★IEEE802.17 RPRWG(Resilient Packet Ring Working Group)
  IEEE802.17负责RPT相关基本协议的标准化工作。IEEE从2000年初开始关于RPT的论证工作,在汇总众多厂商和电信服务供应商意见和建议的基础上,于2001年11月正式成立IEEE802 17弹性分组数据环工作组,开始进行标准化工作。今年3月已讨论通过了工作组关于RPT协议的标准化目标。从2001年3月到11月,为标准化建议草案的推荐和讨论期。在这期间,各个厂家和电信服务提供商可提出自己的标准化建议。到2002年1月,将产生RPT协议标准的草案。2002年1月到9月是标准草案的修正期。最终的标准化RPT协议将于2003年3月出台。 IEEE802.17工作组包括Cisco、Nortel、Luninous、Dynarc、Lantem等公司。
  具体的RPT标准化目标如下:
  ★双向反向环,支持:全双工、空间复用和多播、具有防止分组死循环的机制、即插即用
  ★与媒质相对独立的MAC层,支持1Gb/s~NGb/s
  ★具有高效率的分组格式: 将802.3以太网帧格式简便的映射到802.17帧格式中
  ★定义MAC层的帧格式到物理层帧格式的映射过程
  - 1Gb/s、10Gb/s类似以太网的帧格式
  - STM-4/OC-48、STM-64/OC-192 SDH/SONET帧格式
  ★定义50ms环保护恢复机制
  ★支持L2到L3功能
  ★支持服务等级(Class of Service)
  ★分组大小可达9K
  ★ IETF 的IPoRPR 工作组(IP over Resilient Packer Ring Working Group)
  在IEEE 802.17工作组对RPR进行标准化的同时,IETF于2000年12月正式成立了IPORPR WG(IP Over RPR) 工作组,主要目标是说明和定义一套特性和功能,将802.17 RPR工作组定义的RPR MAC功能的一套特性与网络层路由连接起来,以允许IP平滑地与RPR MAC功能进行集成,从而希望802.17工作组进行设计选择时,将因特网和IP对802.17标准的要求考虑进去,同时,在某些情况下,避免工作重复。该组织于今年6月提出了草案“A Framework for IP over RPR”。
  ★RPR联盟
  2000年1月,Cisco、Luminous、Nortel、Vitesse、Avaya、Mindspeed、Corrigent、River Stone、Alidian、Lantern、AuroraNetic、Cyras等通信公司联合成立了弹性分组数据环联盟Resilient Packet Ring Alliance。RPR联盟的工作目标在于:
  ★支持IEEE802.17工作组的工作
  ★促进RPR技术规范的制定
  ★致力于电信界对RPR的认知和推广工作
  ★加速支持RPR的产品和业务的采纳、推广和使用
  ★ 侧重于多厂家互通标准制定及互通演示工作
  ★作为RPR设备供应商和电信服务提供商间的桥梁
  五、结束语
  正由IEEE 802.17工作组进行标准化的弹性分组环协议是一种新的MAC层协议,是为优化数据包的传输而提出的,它吸收了千兆以太网的经济性、SDH对延时和抖动的严格保障、可靠的时钟和50ms环保护和恢复等特性,并具有空间复用、带宽动态分配、支持业务级别等主要特点,使其成为当前光网络上传输数据包的一种优化技术,正得到业界的广泛关注和重视。可以预见,随着IEEE 802.17标准化工作的进行,它的应用将越来越广。
摘自光桥科技(中国)有限公司,弹性分组数据传送技术(RPT)技术白皮书,2001,3