基于弹性分组环的城域网解决方案

    自从20世纪80年代后期城域网的概念提出后，城域网迅速成为业界关注的焦点。近年来，城域网技术发展较快，网络传输速率不断提高，类型也呈现多样化的趋势。城域网正朝着一个能够承载话音、数据和视频等所有类型的多业务网转变。通信运营商不但可以通过城域网提供带宽，而且可以向用户提供服务质量(QoS)保证。

    城域网要真正满足用户对多业务和服务质量的要求，还存在以下问题：首先，现在的城域网大部分基于SDH的体系结构，SDH主要是面向低速、电路交换的话音业务，可保证良好的QoS性能，提供50 ms的电路保护倒换时间，但SDH设备较数据通信设备价格稍高，用于数据业务时不够灵活、效率较低；其次，由于“千兆到桌面”和密集波分复用(DWDM)技术的发展，局域网和广域网的带宽容量得到了极大的提升，相对而言城域网成为网络的带宽“瓶颈”。

    近年来，以太网由于具有升级灵活、价格便宜、管理简单等优点，迅速成为构建城域网的主流技术。尤其是10G以太网[1]出现后，以太网的应用范围突破了局域网的限制，延伸到了城域网和广域网。但10G以太网继承了以太网的QoS弱的特点，有保障的区分业务承载问题没有解决。此外，10G以太网依然通过生成树协议来实现网络的保护机制，不能满足运营商50 ms的保护倒换要求。因此目前迫切需要一种新的技术，既要能够充分发挥光纤环的优点，同时也要继续保留基于分组传输技术的特点。

    弹性分组环(RPR)[2]就是这种新的技术。据著名咨询公司Infonetics的研究报告显示：RPR、Ethernet over SDH/SONET、Ethernet over WDM和以太网无源光网络(EPON)是目前增长最快的几种城域网技术，5年的复合年增长率都超过了20%。尤其是RPR，报告显示RPR收入的增长速度明显高于其他几种技术。2003年，全球RPR收入为3.23亿美元，预计到2007年将增长200%，达到9.67亿美元，复合年增长率为32%。据Infonetics对北美、欧洲和亚太地区的27家主要运营商的调查报告显示：63%的被调查者计划在未来几年内部署RRP网络。

1 RPR技术
    RPR是一种新型的环形组网技术，集成了SDH和以太网的优点：即SDH的环形拓扑结构和50 ms的快速恢复性能，以及以太网的高效率、简单和低成本等特性。除了传输的可靠性，RPR还能有效地保证环上的各个节点公平地共享带宽。此外，RPR减少了广播业务对带宽的要求，并且可提供有效的本地服务类型(CoS)和QoS能力，是构成端到端QoS解决方案的一部分。

    RPR是一种纯媒体访问控制(MAC)层技术。它利用现有技术来实现其物理层的功能，如以太网、SDH、DWDM、裸光纤等。这种灵活性使其可以与现有技术很好地集成。基于以太网物理层的RPR在目前应用比较广泛，在有SDH环存在的地方，可以分配一部分环路带宽给RPR，使RPR嵌入到SDH设备中，实现无缝结合；在运营商安装了DWDM设备的情况下，RPR能简单运行在一个或者几个波长上，即使在只有裸光纤的情况下，RPR也能直接运行在裸光纤上。

    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，适用于数据业务为主同时也需要对实时业务良好支持的场合。

    数据在环网上传输时，克服了传统以太网逐包处理的缺陷，极大地提高了转发效率。

    为了进一步推动RPR技术的应用和发展，2000年12月，IEEE 802.17 RPR工作小组正式成立，开始进行RPR的标准化工作；2000年底，几大设备商、芯片商共同发起成立了RPR联盟，致力于共同推进RPR的产业化；2004年6月22日，RPR标准被IEEE 802.17工作组最终确认通过。

    单用RPR组网有以下缺陷：没有跨环标准，单个环的RPR信息无法跨环传递，独立组大网的能力较弱，无法实现相切环、相交环、环带链等复杂的网路拓扑。因此RPR必须与其他技术相结合，才能实现城域应用。

2 采用RPR技术的城域网解决方案

2.1  采用RPR嵌入路由交换平台方式
    对运营商网络而言，网络的高可靠性是至关重要的。传统路由器、交换机通过路由的自愈恢复实现保护功能，但存在保护倒换时间较长的缺点，并且不能保证业务不中断。RPR技术的出现，既解决了50 ms保护倒换的问题，同时兼顾了应用的灵活性与效率。

    嵌入路由交换平台的RPR解决方案是在已有的路由器/交换机平台上增加RPR接口板，不需对系统架构、背板做任何改动。这种设备形式的优点是：继承性好，能实现平滑升级，可保护用户的原有投资。内嵌RPR的路由器/交换机系统结构如图1所示。

    嵌入路由交换平台的RPR主要应用于城域网的核心层与汇聚层，一方面利用RPR良好的数据汇聚能力；另一方面利用其50 ms保护倒换功能，对网络核心的流量进行保护，提供核心设备所需的高可靠性。从端口速率看，由于应用于网络核心，对端口处理能力要求比较高，故此种应用中的RPR端口速率至少应在2.5 Gb/s以上，目前主流应用是10 Gb/s。因为现在已有的RPR芯片处理能力有限，在设计中通常采用两块RPR处理板(每块板上一个RPR处理芯片)来实现一个RPR节点的功能，因此在两块RPR处理板之间需要一个配对(Mate)接口，完成两块板之间数据的传送与同步。

    在此种应用中，RPR环上承载的业务均为数据业务，不存在专为话音设置的时分复用(TDM)通道。但由于城域网核心的业务流基本是稳定的，具有一定的可预测性。因此可以利用RPR的业务等级分类功能，把话音、视频流等划分为优先级较高的A类业务，在带宽和延迟等性能指标方面予以保障。在带宽有余量时，再提供数据传输等对QoS要求不高的业务，这样就兼顾了效率与服务质量两方面的要求。

    将RPR嵌入路由交换平台，通过与虚拟局域网(VLAN)、多协议标记交换(MPLS)等技术相结合，可以为用户提供虚拟专线业务、虚拟专网业务、城域组播业务。

2.2  采用纯RPR设备方式
    纯RPR设备完全基于RPR技术，可对IP数据业务进行高效处理。此种解决方案不仅仅停留在对RPR技术的支持上，而是从支持业务的角度出发，将RPR技术和MPLS技术、时钟同步技术、DWDM技术、电视视频压缩和广播技术结合在一起，从而向用户提供一个真正的宽带多业务平台。纯RPR设备在新兴运营商、行业专网中得到了比较多的应用，可以较低的成本快速搭建网络，为客户提供以太网接入、话音、视频等业务，缺点是采用电路仿真方式实现TDM业务，其抖动和漂移等关键指标不尽如人意。纯RPR设备系统架构如图2所示。

    在纯RPR设备中，为实现灵活应用，通常采用数据处理(业务卡)和物理接口(接口卡)分离的设计方法，以便进行灵活的配置，如图2中一个接口卡和一个业务卡组成一个用户卡，完成数据处理功能；两个RPR输入/输出(I/O)卡用于实现RPR双环组网，提供环网接口；交换卡则实现用户卡和RPR环之间的数据交换功能。为弥补RPR组网能力差的缺陷，RPR设备通常配备RPR跨环卡，通过私有协议来完成数据的跨环传送。

    纯弹性分组环设备的数据处理功能都与RPR相关：每个交换卡负责一个环的交换，即每个交换卡负责一个RPR I/O端口和用户卡的数据交换。每个用户卡的数据只和RPR环进行交换，用户卡之间无交换，但每个业务卡内部具有单独的路由引擎和交换矩阵，可实现本卡的独立路由和交换功能。两块交换卡之间采用负载均衡的冗余方法，正常工作时，每块交换卡只有约50%的负荷。

    由于此种设备主要应用于专业网环境中，因此支持的接口类型较多。在提供的业务方面，主要是通过RPR与MPLS的结合，提供包括透明局域网服务在内的高级数据业务，在城域网上提供多点至多点的VLAN连接。另外也可以提供专线TDM传输、城域以太网传输、数字和模拟视频传输、Internet接入、IP电话等业务。

2.3  采用RPR嵌入MSTP方式
    嵌入多业务传输平台(MSTP)中的RPR主要应用在城域网、企业网的汇聚层和接入层。在城域网的汇聚和接入层，MSTP主要负责将上传的数据进行汇聚和疏导，原有的一层透传和二层交换的方式很难满足数据业务对传输效率和质量的要求。而RPR特别适合用来实现大汇聚比的以太网业务，利用其带宽利用率高，站点公平性好，配置简单的特点，业务提供者可以低成本提供电信级的服务。嵌入MSTP中的RPR通常速率较低，主流接口速率为622 Mb/s和155 Mb/s，最大不超过2.5 Gb/s。

    嵌入MSTP的RPR是在SDH的环网带宽上划分出独立的通道来支持RPR技术，完全将RPR融入MSTP中，实现无缝结合。由于基于SDH平台，既能保证目前的TDM业务对服务质量的要求，又通过RPR技术的高效处理特性提高了数据业务的效率。

    基于MSTP的RPR方案实现比较简单，只需在MSTP设备上增加一块RPR处理板即可实现RPR功能，如带宽公平接入、保护倒换、业务等级分类等。RPR处理板的功能框图如图3所示。

    图3中，在单板线路侧可提供RPR端口和多个百兆/千兆以太网端口。进入该单板以太网端口的数据包可以直接透传，也可以经过以太网交换、VLAN处理后适配到RPR MAC层，利用RPR处理芯片实现RPR MAC层处理、业务等级分类、环选择、拓扑发现和保护、带宽控制等功能。

    嵌入MSTP的RPR解决方案的最大亮点是增强了MSTP设备的以太网业务带宽共享和分配能力，可以实现动态、公平共享的以太环网应用。RPR对数据业务良好的支持和带宽管理能力提高了MSTP的效率，同时SDH灵活的组网能力可以弥补RPR独立组网能力弱的缺陷。与纯粹的RPR设备相比，此种解决方案可以实现对话音等TDM业务的真正支持，避免因电路仿真带来的抖动和漂移。这种解决方案还有一个优点就是可以根据业务的情况实现灵活应用：SDH环网中分配的RPR带宽可根据需要灵活配置，随着未来数据业务的不断增长，可在SDH网络中逐步增加分配给RPR的带宽，相应减少窄带语音等TDM业务带宽，使设备能够很好地适应目前业务驱动的发展趋势。

3 3种解决方案比较
    上述3种解决方案是目前RPR应用的主流方式，并且都已经在运营商、行业细分市场上得到了较多的应用。从市场反馈的信息来看，每种解决方案各有优点和缺点。

    嵌入路由交换平台的RPR解决方案可实现对现有路由交换平台的功能升级，不需对系统架构做任何改动，可平滑过渡，保护用户投资。RPR的50 ms保护倒换功能解决了路由交换的可靠性问题。与MSTP相比，此种方案的优点在于带宽效率较高，缺点是还无法达到像SDH那样对话音和视频支持的服务质量。此外，由于相关标准进展缓慢，在RPR与IP、MPLS的交互方面还需要进一步研究。
纯RPR设备主要由没有太多电信、网络行业背景的新兴设备制造商提供，目标主要是瞄准广电、交通、税务等行业细分市场。优点是可以较低的成本快速搭建网络基础设施，为客户提供以太网接入、话音、视频等业务；缺点是采用电路仿真方式提供TDM业务，延迟、延迟抖动、漂移等关键指标尚难尽如人意。

    嵌入MSTP的RPR解决方案完全将RPR技术融入MSTP中，实现了RPR与SDH的无缝结合。优点在于利用SDH灵活的组网提供大量的环间互联，可实现对话音、视频等业务真正的服务质量保证，并通过RPR实现数据业务的用户隔离与带宽管理；缺点是RPR帧需要映射到SDH的帧结构中传输，效率较低。

    由于在网络中的应用环境不同，目前这3种解决方案并没有形成直接的竞争关系。如嵌入路由交换平台的RPR主要应用在运营商城域网、校园网和企业网的核心层，纯RPR设备主要应用于专网环境，而MSTP中的RPR则主要应用在城域网的汇聚层，作为MSTP功能的延伸与补充。

4 结束语
    随着城域业务的不断发展，以及RPR技术和标准的成熟，相信RPR会在网络中得到越来越广泛的应用。由于预期的良好市场前景，许多公司都已推出了不同的RPR城域交换产品，以期在激烈的市场竞争中占得先机。

    但作为一个承载多业务的网络，还有许多关键技术需要进一步研究。尽快挖掘出能够吸引用户的宽带增值业务，构建一个支持开放接入、安全、可扩展的平台，也是当务之急。

5 参考文献
[1] IEEE 802.3ae Media Access Control(MAC)Parameters，Physical Layers，and Management Parameters for 10Gb/s Operation [S].
[2] IEEE P802.17/D3.3 Resilient Packet Ring (RPR) Access Method & Physical Layer Specifications [S].

收稿日期：2004-09-15

[摘要] 文章介绍了弹性分组环的技术特点及其在网络中的应用，从实现的角度探讨了目前弹性分组环在城域网中的3种主流解决方案，包括采用RPR嵌入路由交换平台方式、采用纯RPR设备方式、采用RPR嵌入MSTP方式，解决方案涉及系统架构、网络应用环境、业务提供等方面。进而，文章在对3种解决方案进行对比的基础上，探讨了基于弹性分组环的城域网的发展趋势。

[关键词] 弹性分组环；城域网；以太网；多业务传输平台

[Abstract] This paper introduces the characteristics and network applications of the resilient packet ring　(RPR) technology. Three application solutions of RPR in metro area network are presented from the point of view of implementation: routing and switching platform built-in RPR, pure RPR, and MSTP built-in RPR. The system architecture, network application environment and service provision are analyzed in the solutions. Based on the solution comparison, the development trend of RPR based metro area network is further discussed.

[Keywords] resilient packet ring; metro area network; Ethernet; MSTP