弹性分组环技术 (1)

弹性分组环(RPR)是目前城域网中的新兴技术之一，其标准即将出台。许多公司都在研发基于RPR技术的产品，目前市场上已经出现相关产品。预计RPR技术将会在未来的城域网中受到青睐。本讲座将分3期对该技术进行介绍：第1期介绍RPR技术产生的背景、现状、主要技术特点，分析各种城域网技术的特性；第2期介绍RPR网络中的带宽复用机制、拥塞控制机制、资源访问公平性机制和智能保护倒换机制；第3期介绍RPR存在的问题以及IP over RPR技术的发展。

1 RPR技术出现的背景
    以太网技术在过去25年中得到了充分的发展，其速率已经从10 Mb/s发展到了10 Gb/s。由于以太网具有应用简单、可扩展性强、价格低等优势，在数据领域得到了广泛的应用。随着以太网交换机价格的不断下降，100 Mb/s甚至1 Gb/s都会成为桌面用户连接因特网的主要接入速率。目前以太网的应用还主要集中在局域网中。
    在广域数据传输网中，密集波分复用(DWDM)技术已经占据了主导地位。DWDM技术由于能充分利用光纤的巨大带宽，极大地拓宽了广域数据传输网络的传输速率。目前DWDM商用设备可以提供每光纤32个波长，每波长10 Gb/s的速率，有些可以提供每光纤160个波长，而实验室已经有了1 000个波长的光交叉连接设备(OXC)。由于目前网络的“瓶颈”已经从广域网转移到了城域网中，造成巨大的网络带宽因网络的“瓶颈”而得不到充分的利用。这导致一方面用户在抱怨网络的速度太慢、收费昂贵，另一方面网络的容量却很富余。
    在城域网中，现有的光纤布局大都为环状，多采用SDH和SONET技术。以太网可以很方便地扩容局域网到较高的速率，但是在城域网中，由于现有的光纤布局大都为环状，以太网还不能直接利用环状网络的优势，例如快速的路径保护。因而在城域网中以太网应用受到了一定的限制，必须与其他技术相结合，如Ethernet over SDH。而传统的SDH网络是为了传输话音业务而设计的，其固有的特性限制了它在传输数据业务上的高效率，因此迫切需要发展一种基于数据的城域网络技术，弹性分组环(RPR)技术在这种情况下应运而生。

2 RPR技术发展现状
    国际电子电气工程师学会(IEEE)于2000年12月成立了RPR工作组(IEEE 802.17)。几家大型通信公司，如Cisco Systems、Nortel Networks、Intel等发起成立了RPR联盟，推广RPR技术。目前IEEE RPR标准已经到了最后批准阶段，即将出台。RPR目前最新的草案是Draft 3.0。
    在RPR联盟的公司中，Cisco最早提出空间复用协议技术/动态分组传输技术(SRP/DPT)概念，被因特网工程任务组(IETF)采用。Cisco同时还在市场上推出了兼容DPT/RPR的设备。美国Texas州的METRO公司买了Cisco的ONS 15454 SONET多服务平台(MSPP)，配上DPT/RPR板卡和Cisco 7200系列路由器，构建了基于OC-48的SONET环，在其上运行基于IP的话音、视频和数据业务。
    Corrigent Systems公司生产的CM-100系列产品基于RPR技术。该公司在美国Dallas举行的NFOEC商业展中展示了其用于SONET的RPR设备——CM-100TM，该设备可以使以太网技术基于SONET、MPLS。该公司被看作2002年最热门的新兴通信公司之一。
    Nortel公司已经和中国移动签署了上海市、浙江省基于RPR技术的光以太网建设协议。和上海市签署的网络建设协议需要满足具有严格要求的业务传输和实时业务，包括上海移动的商务操作支持、计费和网络管理系统；和浙江移动签署协议采用基于SDH的4个RPR环，用来连接杭州等11个城市。Nortel也出席了NFOEC商业展，展示的设备包括：Video over RPR、Voice over RPR、Metro Ethernet Transport等。
    Xilinx公司设计的FPGA被Luminous公司和Lantern Communications公司用来制造RPR设备。其Virtex-II Pro FPGAs可以提供最高达到8百万个逻辑门。Intel等芯片制造商也推出了基于RPR技术的交换芯片。
中兴通讯也即将推出具有自主知识产权的RPR设备，可以支持高达10 Gb/s的速率。

3 RPR技术的主要特点
    RPR的出现主要是为了解决现有的基于时分复用的(TDM)城域网络技术不能高效地支持数据业务的问题，现有的城域网络技术主要基于SDH和SONET技术。RPR不仅能很好地支持数据业务，也能支持话音和视频等实时性强的业务。

(1) RPR环结构
    RPR网络是一个双环结构，如图1所示。两个子环中的数据传输均为单向，方向相反。子环称为环0和环1。环上的站点由一个48位媒体访问控制(MAC)地址所标识，该地址与以太网地址的定义是一致的。

    环上的所有链路都拥有相同的数据速率。相邻站点之间的部分环叫做跨度。跨度由一对单向的传送方向相反的链路所组成。一系列相邻的跨度组成领域。
    当站点SX的输出直接是站点SY的输入时，站点SY就叫做站点SX的下游站点。因此，站点S5是站点S4在环0上的下游站点；同样地，站点S2是站点S3在环1上的下游站点。
如果站点SY是站点SX的下游站点，那么站点SX就说成是站点SY的上游站点。因此，站点S3是站点S4在环0上的上游站点；同样地，站点S4是站点S3在环1上的上游站点。

(2)RPR层模型
    RPR的层模型和它与开放式系统互联(OSI)参考模型的关系如图2所示。包括：MAC控制子层、MAC数据通路子层和调和子层。

    MAC服务接口支持从一个MAC客户端传送数据到一个或更多个远端同等的MAC客户端，支持本地的控制信息从MAC控制子层到MAC客户端的传送。MAC控制子层控制数据通路子层，其控制功能包括公平性控制、拓扑发现和保护、运维管理(OAM)功能等。MAC数据通路子层提供每个子环上的数据传送功能。
    MAC数据通路子层利用物理层服务接口在物理媒体上发送和接收帧。调和子层说明特定的物理媒体和媒体独立接口(MII)之间的映射关系。

(3)RPR站点结构
    RPR站点结构如图3所示。一个RPR站点由一个客户端实体，一个MAC实体和两个物理层实体所组成。每一个物理层连接其相邻站点。MAC实体包括一个MAC控制实体和两个MAC数据通路实体，其中每一个MAC数据通路实体和一个环相关联。在环0上发送和在环1上接收的物理层为东物理层，在环1上发送和在环0上接收的物理层为西物理层。环0的数据通路从西物理层接收帧，在东物理层发送或转发帧。环1的数据通路从东物理层接收帧，在西物理层发送或转发帧。

    可以看出，RPR技术是属于MAC层的技术，它的组网方式为环网。而且，IEEE草案中提出，一个RPR网络中的站点数目最大限制在256个，环的周长最大为2 000 km。
RPR技术的主要特点有：

(1)可以提供服务质量保证。RPR将业务分为3类：A类为最高优先级的具有低时延和抖动限制的业务；B类为次优先级的具有一定的时延和抖动限制的业务，此类业务可以超出分配给它的带宽，超出部分需要被打上标记；C类为尽力传送的业务。RPR节点通过对3类业务的不同处理来保证用户的服务质量要求。

(2)通过对环网链路的带宽重用技术最大限度地利用带宽；利用加权公平性算法对环网带宽资源进行全局管理，保证带宽资源利用率最大化(95%以上)。

(3)能提供快速网络故障恢复(小于50 ms)。

(4)采取统计复用的带宽分配机制比静态分配带宽的机制能更大限度地利用带宽。

(5)支持广播和组播业务，并能最大限度地节约带宽。

(6)操作简单，成本低廉。

(7)兼容SDH和SONET技术。

4 各种城域网技术特性分析
    现有的城域网络还存在许多其他的技术，这些技术均有各自的优势和缺陷。通过分析这些城域网络技术的特性，可以了解它们的局限性，更好地理解RPR技术的优势。与RPR技术相结合可以弥补这些城域网络技术的缺陷，而RPR自身的局限性通过与这些城域网络技术的结合也可以得到解决。

4.1 以太网
    以太网的特点为：实现简单、价格低、带宽利用效率高。随着传输速率的增加，以太网已经逐渐过渡到全双工模式，利用以太网交换机进行连接可以提高网络的吞吐量，因而可以更加高效地利用带宽。目前以太网的速率已达到10 Gb/s。在局域网中，以太网占有率相当高。以太网的不足之处在于：以太网适用于点到点或网状拓扑，不能利用环状拓扑的优势；以太网只能实现有限的本地公平性，不能实现全局公平性。以太网网络连接方式如图4所示。图中有A、B、C、D 4个以太网交换机，需要通过A交换机接入到互联网。A的出口速率假定为1 Gb/s，由于以太网实行的是本地端口公平性，因而它可以平均分配1 Gb/s的带宽给本地数据和B的数据，此时B的出口速率则为500 Mb/s。以次类推，C分配的出口速率为250 Mb/s，D则只有125 Mb/s的出口速率。可以看出，此种分配方式使靠近出口的站点具有最高优先权，是非常不公平的。

    以太网的故障恢复速度太慢(约500 ms)。以太网利用生成树协议来避免环路，但是当链路发生故障时，生成树协议更新得太慢，无法提供电信级的保护(小于50 ms)，这对在以太网上开展多媒体业务以及VPN业务会产生阻碍。

4.2 SDH/SONET
    SDH/SONET的特点在于：提供电路交换、保证话音质量、可快速恢复(小于50 ms)。SDH/SONET出现较早，技术成熟，且在实际城域网络中得到了大量的应用。
SDH/SONET的不足在于：由于最初设计是为了实现固定时隙的话音业务，因而带宽固定，不适合传输突发性的数据业务；带宽利用率不高；不能很好地支持组播业务；需要浪费大量的带宽用于保护。
    SONET连接方式如图5所示。左图为4个站点接入到1个站点的示意图，此时需要把整个环的容量固定平均分配到4个站点，如果环的容量为10 Gb/s，则每个环的容量只有2.5 Gb/s；右图为全连接的网络，此时需要把环容量固定分配给10个连接，则每个环的最大容量只有1 Gb/s的速率。
    由于在多播传输数据时，需要为每个连接分配一个不同的时隙带宽，因此SONET连接方式严重浪费带宽，这还不包括环路要预留50%的带宽来进行保护倒换。由此可以看出，单纯的SDH/SONET网络对环路带宽的利用率不高。

4.3 DWDM
    密集波分复用(DWDM)技术可以利用光纤的巨大带宽降低运营成本。但目前其价格尚较昂贵，且智能化程度不高。DWDM技术被广泛用于广域网以提高网络的带宽。
DWDM技术只能基于光纤，而且目前是基于电路交换的。粗波分复用技术(CWDM)将来可能会在城域网中得到应用。
    RPR技术可以跟WDM技术进行结合，以满足网络升级的需要。

4.4 ATM
    ATM技术的优势在于可以提供保证服务质量(QoS)的高速业务。在中国，ATM网络的建设已经有了一定的规模。但是由于其价格高，可扩展性不强，缺乏相应的应用支持，并且恢复较慢，因而在城域网中的应用受到一定的限制。

4.5 MPLS
    MPLS技术是一个2.5层的技术，同时也具有3层路由交换的能力。MPLS的特点在于：能提供不同等级的QoS；能减少核心路由器处理包的数目，从而提高路由器的性能。但是其恢复速度达不到SDH/SONET的恢复速度（50 ms）。

4.6 RPR
    RPR技术的特点前面已经加以介绍。RPR的不足在于：RPR只能支持环状网络结构；RPR只是MAC层的机制，需要尽量简化以减少硬件的代价；RPR不能支持细分到业务流的服务质量。
    RPR可以和MPLS、以太网、SDH/SONET、WDM等技术结合应用。RPR over SDH/SONET可以弥补SDH/SONET对带宽利用的不足；RPR和以太网技术结合可以使以太网充分利用环网的优势；MPLS和RPR结合可以提供更细致的服务质量，同时可以提供快速的恢复；RPR over DWDM可以利用光纤的巨大带宽，并使DWDM网络具有一定的智能保护。

    一个典型的RPR网络组网如图6所示。图中，RPR网络连接城域网络中的多个大厦，每个大厦接入到RPR网络中的方式可以为TDM方式，速率为1 Gb/s和10 Gb/s的以太网接入。此时，RPR网络不仅可以提供数据业务，还可以提供具有50 ms保护的话音级业务。(待续)

收稿日期：2004-05-19