弹性分组环技术(3)

11 RPR网络存在的问题及解决方案

11.1 队头阻塞问题
    RPR网络中传输的都是汇聚流，所有同类业务都汇入一个队列。由于采用空间重用技术和公平性控制机制，会带来队头阻塞(HOL)问题(如图14所示)。

    图14中，箭头下方数字表示有队头阻塞问题时的链路速率，箭头上方数字代表克服队头阻塞问题后具有最佳方案情况时的链路速率。从图中可以看出，在S5处由于采用公平性控制，流[S2, S6]、[S3, S6]、[S4, S6]、[S5, S6]共享节点S5－S6的链路，分别为25%(假定各站点的权值都一样)。此时，流[S2, S6]和流[S2, S3]由于是同一类业务，都受到整形器的限制，因而只有共享25%的链路速率。从图中可以看出，实际上流[S2, S3]可以占用高达75%的带宽，因为它们在站点S3处就被剥离了，不会对站点S5的链路有影响。

    HOL问题对于带宽是一种极大的浪费，如何来避免这个问题呢？需要两方面的配合：一是在拥塞控制消息中带有拥塞点到本地的跳数，二是本地需要设置虚目的队列(VDQ)。由于拥塞控制消息中具有到拥塞点的跳数，可以算出拥塞的节点位置，因而可以对超过拥塞节点的流进行控制。但是如果按照RPR的常规处理，所有相同类的流都处于一个队列，则无法对其分别进行控制，此时需要利用VDQ队列。所谓VDQ队列，是指在本地站点始发队列中需要根据不同的目的节点安排不同的队列，每个队列都独立受到相应的流量控制。由于RPR的站点数最大可以达到256个，因而此VDQ队列数目不会很多，管理也不复杂。拥塞消息与VDQ的结合可以消除HOL问题。

    VDQ队列与相应的调度算法相结合还可以解决流公平性问题。流公平性问题是指：本地站点始发到其他各个站点的数据流公平地共享链路速率。由于VDQ已经对每个站点的流进行控制，完全可以在队列出口采用一些调度算法来实现站点数据流的公平性。具体的调度算法有许多，DRR(Deficit Round Robin)算法是其中之一。DRR实现简单，可以用于高速设备。DRR算法是对传统的轮询算法的改进，主要是防止长数据包比短包获得更高的优先级。

11.2 非平衡流问题
    非平衡流问题是指：当环路上某个站点的注入流量远远小于其他站点的流量时会引起其他站点流量的振荡(如图15所示)。

    图15中站点S5到S8的流量只占链路的5%。理论上，此时公平性算法应该使S1到S8的流量占95%，实际中应用公平性算法得到的结果如图15(b)所示。造成这种振荡的根本原因在于公平性算法本身的缺陷。以聚集模式为例，初始时，站点S5没有检测到拥塞，会指示S1增加发送速率，当S1的速率到达95%时，S5检测到拥塞，它把自己本身的发送速率反馈给S1，通知S1降低发送速率到5%，如此循环往复，产生振荡。同样保守模式也存在振荡，这种振荡会对网络的性能造成巨大的影响。大量频繁的丢包会使上层协议认为下层链路出现故障。如果上层协议为传输控制协议(TCP)时，尽管TCP会利用滑动窗口协议来避免拥塞，但是振荡会造成整个网络的性能严重下降。如果上层为数据报协议(UDP)，那么会对UDP支持的业务(实时业务)产生巨大的影响。

    如何解决这个问题？可以利用两种方法：一是设计更好的公平性算法，但是此算法必须要跟标准的算法兼容，同时此算法的收敛速度和公平性至少不比原有算法差。也有许多文献涉及到算法的设计，但是各种算法都有其优劣，是否能适用于高速环境还有待实际检验。另一种方法是适当配置站点的权值，此方法只适用于保守模式。而且此方法只是权益之计，因为网络的流量在不停地变化，非常难于预测，此方法只是部分减少了振荡幅度，并没有完全消除振荡。

11.3 保护倒换问题
    RPR可以提供50 ms级的保护倒换。但是，由于RPR并没有采用SDH/SONET那样的带宽预留，保护倒换时会遇到严重的丢包问题。RPR可以利用空间重用机制在双环上都传输数据，这样大大利用了网络的带宽，但是带来的问题是：保护倒换时，无论是采用卷绕机制还是转向机制，都可能会因为相应的环没有容量而导致丢包。其实，数据业务的保护与话音业务的保护是不一样的，需要考虑到服务质量问题。有些业务需要保护，如实时性强的话音和视频业务，有些业务不需要保护，如一般的WWW浏览，还有些业务需要保护的时间并不是局限于50 ms级，完全可以更长一些，比如FTP和VoIP等。RPR标准并没有提及如何来区分这些业务，而在实际运营时需要考虑。一般来讲，需要首先考虑优先级高的业务，如A类业务和一些控制消息；其次是B类业务；最后才是C类业务。可以在保护倒换时设置相应的优先级队列，这些队列具有抢占式的传输，可以使优先级高的业务抢占优先级低的业务的带宽。

12 IP over RPR

12.1 IPORPR工作组概述
    IETF的IPORPR工作组成立于2001年9月。其目的是开发必要的标准和协议，使得第二层实体和第三层实体之间可以进行有效的交互，从而在IEEE 802.17环上运行IP和通用多协议标签交换(MPLS)等第三层实体。

    在IPORPR工作组成立时，已经提出了框架草案。在框架草案中明确了IEEE 802.17与IP和MPLS等第三层实体交互的3个级别，即：
    第一级，第三层将RPR环作为传统的广播媒体(类似以太网)；
    第二级，在第三层与RPR环之间定义业务接口，以满足特定的资源或业务请求；
    第三级，增强第三层与RPR环的交互，从而增强第三层对RPR环的知晓程度。

12.2 IPORPR的研究动机
    IPORPR框架草案中规定了3个级别。在第一级时，网络层路由将RPR环看作一个类似于以太网的具有广播能力的局域网(LAN)媒体，不需要对现有的第三层协议做任何改动。在后两级时，需要对网络层路由进行一些小的改动，以便对RPR环的一些特性，如双向环、目的剥离或50 ms的保护切换(可以屏蔽单个物理故障)进行调节。这样能够更好地利用环网资源，提高第三层的效率。

    (1)第一级的优势
    第三层能够利用第二层提供的一些底层能力，如RPR环的保护机制、拥塞控制机制和带宽管理机制。
    (2)第二级的优势
    RPR环具有分布式接入管理能力，可以对业务流和连接进行快速建立和配置，减少了配置时间，降低了费用，同时还提供基于流和基于连接的服务水平协定(SLA)与服务质量(QoS)设置和保证。RPR环的一个新的目标是按需带宽、点到点路径的建立以及对虚拟局域网(VLAN)和虚拟专用网(VPN)的支持。
    RPR和业务层(如IP)的标准接口将允许通过环进行路径或流的端到端互连，即使有其他网络时也能提供RPR端到端的优势。
    这一业务接口将允许RPR环的客户针对特定的路径选择，或其他的第二层行为特征向第二层发送参数信号(如SLA约束、带宽需求等)。客户与RPR环之间的信令路由接口类似于传统的用户网络接口(UNI)。
    (3)第三级的优势
    增强的第三层知晓能力将允许第三层对某些环操作或行为进行控制，如环方向的选择、故障响应方式的选择、流量工程以及相关的QoS机制。但是不涉及桥接时多环情况下的第三层知晓。在RPR环上运行IP时可以被增强的第三层功能包括：

    (a)成本度量知晓
    RPR环具有拓扑发现机制。通过对源和目的MAC地址进行跟踪，并使用一些简单的度量(如跳数)可以确定最短路径和最有效的环方向，以进行单播分组的传送。

    如在图16中，从节点A通过环中的直连链路到节点C的跳数为1跳，而通过节点B的跳数为2。A到C之间链路的费用为20，A到B之间为5，B到C之间费用为5。RPR环选择时依据最短跳数，因此会选择A到C费用为20的链路。

    但是，从第3层协议所看到的两链路间的费用来看(基于物理距离或其他链路特征)，通过节点B的路径是最短的。因此将基于第三层的度量确定的最佳环方向通知给第二层可以优化分组的传输，特别是在节点距离与费用之间存在很大差别的网络拓扑时。

    (b)邻接与故障知晓
    在单环内，邻居知晓的优势可能不明显。因为底层的IEEE 802.17具有自愈能力，它能够绕开出错位置而维持连通性并发送分组流。但是，要完全反映故障期间已经改变的拓扑，必须重新计算路由，特别是在环形和网格形混合网的情况下(见图17)。

    将故障情况从底层通知第三层可以使第三层迅速做出响应。第三层应该知道的故障包括会引起业务被“卷绕(Wrap)”或环会改向的故障。而其他小的故障，在不影响环的正常操作的情况下，不必通知第三层。

    (c)对流量工程/显示路由/QoS路由的支持
    尽管RPR具备拓扑发现、带宽管理和拥塞或流量控制机制，但这些机制可能不被第三层考虑。用于流量工程的MPLS在RPR环拓扑中可以提供如下优势：一个优势是建立显示交换路径的能力，该路径不会受任何RPR转发策略的制约；另一个优势是能够将属性与业务流相关联，并使这些业务流沿着不同的拓扑传送(格状网和环网混合拓扑时)。这一机制还可以利用第三层基于流的QoS，将每一个特定流的路径选择与其QoS约束相对应。

12.3 IPORPR下一步有待研究的内容
    IPORPR有待进一步研究的内容包括：

• RPR的保护切换机制与MPLS的故障恢复机制之间的交互；
• 第三层QoS机制(DiffServ、MPLS)与RPR QoS机制之间的映射；
• MPLS显示路由与RPR业务转发机制之间的关系；
• 流量工程对RPR带宽分配机制的影响；
• 第三层与RPR环间业务接口模型的定义，通过该接口进行传递的参数的定义，以及该模型对VLAN、VPN业务的支持等。(续完)

收稿日期：2004-05-19

[摘要] 弹性分组环(RPR)技术是一种基于数据的MAC层网络技术，其统计带宽复用和资源公平访问机制可以充分利用环网的资源，智能保护倒换机制可以使保护时间小于50 ms。本期是3期讲座的最后一期，重点介绍RPR网络中目前存在的一些问题，以及IP over RPR技术的发展现状。第1期介绍了RPR技术产生的背景、现状、主要的技术特点以及与其他技术的比较；第2期介绍了RPR网络中的关键技术：带宽复用机制、拥塞控制机制、资源访问公平性机制、智能保护倒换机制。