朱栩 曾庆济 杨旭东 刘逢清
上海交通大学宽带光网技术研究开发中心
摘要：弹性分组数据环技术集IP的智能化、以太网的经济性和光纤环网的高带宽效率和可靠性于一体，为宽带IP城域网运营商提供了一个良好的组网方案。本文介绍了RPR的技术特点，标准化与产业化进展情况，重点讨论了各种RPR提案中已经基本达成共识的关键技术。
关键词：弹性分组数据环 城域网 SONET/SDH 以太网
1、引言
相对于骨干网来说，城域网有其自身的特点。它面向企事业用户和居民小区用户，需要支持多种协议和速率的客户层信号，连接不同方式的接入设备，可覆盖城市及其郊区范围。城域网应该具有很强的带宽管理功能，为不同带宽和时延要求的业务迅速、高效地提供所需传输带宽。随着骨干网、接入网容量的大幅度提升，带宽和距离的矛盾越来越明显地集中于几十公里的数量级，因此如何合理、科学地配置城域网的拓扑结构、简化通信协议栈的层次结构，从而经济有效地提高城域网传送性能已成为社会和业界关注的热点和竞争点。本文将介绍一种有可能适用于未来城域网要求的新型网络结构－－弹性分组数据环（RPR）技术，包括它的技术特点、标准化与产业化进展情况，并分析了它的市场前景。
2、城域网的结构和RPR技术
由于城域网的概念是在计算机局域网、电信传送网和Internet得到很大发展，并将IP over everything和everything overIP提到研究日程以后提出的，因此一开始就对城域网提出了高速、综合业务、宽带、光纤连接和适用于传送IP业务等较高的建风条件。图1示出目前城域网典型的组成结构。可供城域网选择的底层宽带技术有以下几种：
（1）SDH技术
SDH是面向话音的时分传输设备，在城域范围内一般组成单环或多环互联结构，可提供50ms环保护功能。SDH设备的接口速率从E1到STM-64，具有可靠的延时与抖动保障机制，完善的协议适配机制和强大的网管能力。SDH的客户层可以是话音、ATM虚电路或是通过PPP直接映射入SDH虚容器中的IP分组（PoS方式）。
（2）ATM技术
采用短信元传输方式和面向连接的交换技术，支持各种速率的传输端口和物理层设备，其特点是快速的分组处理和大容量的交换能力，能够减少分组通过交换节点的时延和保障服务质量。SDH和ATM的共同缺点是设备结构复杂，价格昂贵，初期组网投资成本高。
（3）以太网技术
在局域网中广泛采用，是大多数商业机构和社会团体的内部组网和接入Internet所采用的方式，有10/100/1000Mbit/s等几种形式，10Gbit/s以太网也即将出现。基于以太网的12/13交换设备具有成本低、组网灵活等优点。其缺点是在可靠性和扩展性等方面不能满足电信级运营商的要求，缺乏行之有效的网络恢复与保护、带宽控制和拓扑更新机制。
（4）动态分组传输技术（DPT）
这是Cisco提出的高端路由器互联的传输方案，点到点之间采用PoS分装模式。实际上Cisco是把DPT作为RPR的一种方案提出的，安也具有环保护机制，支持带宽动态分配的空间重利用协议（SRP），提供相对严格的服务等级分类。DPT与RPR相比，二者在性能、服务和价格方面有很大的不同，前者更适于与高端路由器结合，用于大型城域网的骨干层和国家/省级骨干网。
（5）弹性分组数据环技术（RPR）
这是全新结构的、吉比特IP over光纤的核心网解决方案。
3、RPR技术概要
3.1 RPR的提出与其标准化进程
市场的需求推动人们去研究、寻找新的技术。SDH和ATM技术成功地应用于城域网，但是其技术复杂、价格昂贵；以太网技术在局域网中得到了广泛应用，走的是低价、简单的技术路线，但是缺乏有独立自主的QoS、网络恢复与保护和网管机制，不能满足城域网的可靠性和扩展性方面的要求。人们于是很自然地想到了在城域范围内构建新的环形拓扑结构，通过传输类似以太网结构的分组来提供各种增强型业务，在不降你黄金 络性能和可靠性的前提下提供更加经济的WAN/MAN解决方案。RPR即是在这样的背景下提出的，很快受到了多个国际化标准组织、研究机构和网络设备厂商的重视。2000年1月，Cisco,Nortel,Luminous,Dynarc等公司成立了弹性分组数据环联盟，致力于进行RPR技术推广，侧重于不同厂商产品间互通标准的制定工作。IEEE也在2000年初开始了RPR的论证，随后正式成立IEEE802.17弹性分组数据环工作组，负责RPR有关基本协议的标准化工作，预计到2002年初产生第一个RPR协议标准草案。IETF也于2000年12月成立了IPoRPR工作组，研究RPR如何与IP协议族和MPLS相结合，并制定多厂家互通标准。
由于国际上还未形成RPR标准，还有许多问题未达成一致意见，今年是RPR标准化草案的推荐期和讨论期，这也正是国内通信设备厂家和研究机构参与世界级先进技术的研究，在国际竞争中争得自己的一席之地的一次机会。本节中以下几部分的内容综合参考了各种提案中较为一致的意见，同时也阐述了作者在相关问题上的看法。目前RPR协议的标准化目标的大致轮廓已经形成，各界已就几个方面的问题达成共识。概括下来有如下几点：
（1）灵活性
可有效地传送语音、数据（包括IP突发业务）、图像等多种类型的业务。
支持业务等级协定（SLA），提供多等级、可靠的QoS服务。
支持L2和L3功能。
具有拓扑自动识别功能，支持动态的网络拓扑更新。
（2）可靠性
具有完善的网络性能监测、错误定位等网管功能。
应能够检测出比特传输错误并具有一定的纠错能力，即要求在帧结构的头部开销和扩展开销中含有校验位。
支持50ms环保护恢复功能，当光纤中断时提供可靠的业务保护，并对高优先级的业务优先保护。
网络拓扑自动更新时不影响或尽量减少对在线业务的影响。
具有防止分组死循环的机制。
（3）兼容性
能够承载IP、SDH、TDM、ATM、以太网等多种协议的业务。
具有T1/E1、DS3/E3、OC-3、OC-12、PoS、10/100BT、GBE等多种速率端口。
应能兼容多种物理传输媒质，在是否应该兼容多种物理拓扑结构的问题上还未有一致性的意见。
（4）可扩展性
能够方便地扩展网络规模，增加传输线路、传输带宽或插入新的网络节点。
将来出现新的业务、协议或物理层规范时可以平滑地升级。
3.2 RPR的MAC帧格式
RPR的MAC层应该能无缝地嵌入IEEE802工程协议栈中，对下支持802.3和SONET/SDH物理层，对上支持802.1高层和互操作规范，并能与802.3MAC层互相兼容。RPR MAC应能实现Layer 2快速交换，可选用的方案之一是双地址编码模式或与标准MPLS位相结合。和802.3及其衍生协议不同的是RPR MAC不是广播协议，而是采用存储转发（store and forward）或虚电路（cut-through）模式，因此帧间不需要前导或间隔字节，这样就提高了带宽利用率，减少了转发延迟。一个典型的RPR MAC方案如图2所示。
MODE，可以定义八种分组模式，如控制分组、数据分组、维护分组等。同一分组模式还可选择48bit物理地址编码方式或8bit逻辑地址编码方式。
RI，环标记（或保留）。
PRI，可以定义八种分组优先级别。或者将这3比特字段称为CoS，定义八种服务类别，包括快速前传（EF）和保障前传（AF）等。
P，第一字节校验比特。
源地址和目的地址，在连接建立、拓扑更新或其它指定过程中使用48bit标准以太网地址编码模式，而在RPR环常规运行时使用8bit逻辑地址，可以标识256个环节点，远远大于传统SONET/SDH环16个节点的限制。短的地址编码方式有利于加快帧头的处理速度，所有节点可以基于逻辑地址进行快速的Aayer2交换，能实现极低的交换延迟（10us数量级）。
分组类型/长度，这个字段的定义由802.3派生而来，决定该分组的长度和类型。
头部校验和，使用指定的数学校验方法验证帧头的成帧和传输有效性。头和数据分别校验，是因为在高速的数据转发中，将数据复制到内存作为一个连接的数据块之前应该先确保头倍信息的正确性，如果帧头有误，数据就有可能被复制到错误的进程，从而出现延迟甚至错误的转发。在数据块复制期间再进行数据的校验。
TTL，防止环上数据传输死循环的计数位。源节点根据一定的规则设置TTL位，每经过一个节点TTL减1，当一个节点收到TTL为0的数据帧时将其丢弃。
净负荷，数据分组中，该字段为各种格式的客户层数据，包括IP/IPX分组、SONET/SDH和T1/E1等TDM业务，或者视频数据等。控制或维护分组中，该字段包含了各种信令信息。
CRG-32，用于整个帧的循环冗余校验，与头部校验和字段一起判断错误的位置和来源，以决定下一步的处理。
3.3 RPR的关键技术
（1）网络拓扑结构
RPR的拓扑结构是一组沿着双向环路互联网的交换节点，与SONET/SDH不同的是，它的反方向传输的双环都是工作环。
为了在RPR环路上连接相邻的节点，可以采用各种底层媒介，比如一对裸光纤、一对自WDM链路分插出的波长、一个SONET/SDH可拆卸OC-n电路以及其它双向连接媒介。以该拓扑结构为基础，每个RPR节点支持两个环端口：一个支持与左边邻近节点的连接，另一个支持与右边节点的连接，节点仅需掌握两个端口的光路状态。
在网络初始化或者拓扑更新的过程中，RPR进入自动拓扑识别模式，所有节点基于48bit物理编码模式向环中其余各节点发送信令分组，告知自己所掌握的拓扑信息。每个节点据此来确定此时的逻辑拓扑结构，并通过一定的确认机制保证所有节点信息的一致性。这和IP中OSPF有类似之处，不同点在于前者是Layer2消息，对Layer3路由表没有影响，并且更新速度更快。拓扑更新过程结束后，每个节点都掌握了到其它所有节点的链路数目与状态，因此当故障发生时，RPR环可以进行基于源路由的故障倒换。
RPR环还支持其它灵活的组网形式。在简单的网络环境下，如在一个很小的范围内或者对网络生存性要求较低的情况下，可以采用单纤工作方式，当然这时没有自愈功能。RPR环除了可以透明地支持WDM传送方式，还可能通过适当的设计应用WDM波长选路方案，大大增加网络总带宽。在提交给802.17工作组的各种草案中就有相关的方案设计。图3（a）所示为维也纳技术学院提出的基于RPR的WDM洗牌网（Shuffle）拓扑结构。
图3（b）是（a）的等效逻辑结构图。这是一个八节点的WDM环，总共使用了16个波长，每个节点配备各两个波长的发送机和接收机。从图3（b）容易看出环中各节点间的最大传输跳数为3，比如说节点1向节点8传送的分组可以走1-6-4-8或1-5-2-8的路径，分别使用波长组（2，12，8）或（1，10，4）。
（2）RPR的恢复和保护机制
网络的生存性（或称弹性）是指网络能承受设备和线路故障的能力。业务恢复时间和范围是度量生存性的两个重要尺度，不同的业务等级对恢复时间和范围有不同的要求。大量的研究表明，如果业务中断时间不超过50ms，对于多数电路交换网的实时话音业务和中低速数据业务来说不会造成服务质量（QoS）的下降，因此把50ms作为衡量传送网生存性的重要指标。
在各种能够提供不同程度生存能力的通信技术中，只有SONET/SDH（或者借鉴了SONET自愈技术的WDM光交叉连接网络）能够提供50ms中断期内电路通信服务的能力，其基本思想是按双光纤配置环网络，其中一个是工作环，另一个备用。当工作环断开时采用高效APS通信协议，通过SDH开销中的K1,K2字节通知上下游节点，业务在光纤中断处两端节点通过保护光纤环回。这样的不足之处在于备用光纤的带宽没有充分利用，同时环处于保护状态时连接没有选择最佳路径。
在RPR环网中，两根光纤都是工作纤，没有主备用之分。在一般情况下，给定两节点之间的数据分组和信令分组反向传送，当发生光纤中断时，节点光纤入口物理层设备检测到错误并将该信息通知MAC层。如果该错误信息确认，那么每个受影响的RPR节点将会执行一个故障覆盖（fail-over）动作，把故障路径方向的数据流到切换到反方向光纤，同时发出一个Layer2控制信令分组通知其它节点。其余节点收到这个信令分组后（有可能不只一个节点发出此分组）也把所有业务转移支有效环上。RPR的这种基于源路由的保护倒换机制可以实现把数据转换到最佳路径上去，另外，由于RPR支持空间重利用协议，可以节省出SONET/SDH复用段保护倒换所经过的环回路由的带宽供其它业务使用。同时，在保护切换过程中，会按照业务流的不同服务等级决定倒换次序和带宽分配策略。警报通知和重定向数据流都将在故障发生后的50ms内完成，弹性分组数据环中的“弹性”就是指这一特点。
（3）空间重利用协议（SRP）
空间重利用最初应用于SONET BLSR中，指环上的每个节点都可以公平利用网络提供的带宽。Cisco研究并扩展了空间重利用的概念，提出了空间重利用协议，并把它动态传输协议（DPT）一起，作为向802.17工作组提交的RPR方案。对于DPT在业界还有许多争议，但是SRP已经被广泛地认可为RPR标准中可以利用的技术。
顾名思义，SRP的基本思想是在空间上没有重复的业务流可以互不影响地利用各自线路的带宽。SRP与以往的令牌环和FDDI的一个重要区别就是单播分组在其到达目的节点之后即从环上剥离，只使用源与目节点间的线路，并不锁定整个环，其它节点间的通信可以同时进行。这样使得许多节点可以同时发送分组，提高了环带宽利用率，特别是环上节点较多的情况下，带宽利用率的改善尤为明显。图4所示为运行SRP协议的RPR3-5。由图4中容易看出，在不影响其它节点通信的情况下，3-5的通信可以使用这两个节点间光纤链路的全部带宽。
凭借源路由保护倒换机制和空间重利用协议，RPR处理业务的速度有可能达到SONET/SDH双向线路倒换环或单向通路倒换环，原因有两个，一是选择了分组传送路由的最佳路由，二是同一时隙在不同网段上可以传送不同的数据。
（4）动态带宽管理与多乖有QoS数据。
为了适应城域网客户种类繁多、交换粒度差异大的特点，RPR必须有一套灵活的带宽动态管理、拥塞控制和多等级承载业务QoS保证机制，能够比SONET/SDH更加有效地分配带宽，处理数据，从而降低运营商和客户的成本。
RPR的MAC接口与以太网MAC接口的根本区别是它包含一个交换协议单元，包括数据存储转发的决策单元。在城域环境下交换节点的用户接口模块非常灵活，可以复用、疏导多种协议和速率的业务。环节点对业务流进行Layer2快速转发，无须查找Layer3路由表，也就是说，RPR MAC层为IP突发和语音传送等不同特征的业务提供了一个Layer2统计复用的平台，所有业务共享带宽。由于不同的业力对传输延时、抖动、差错率要求各不相同， RPR定义了几种业务等级，通过帧头中的PRI/CoS进行数据分组的QoS设置。3比特的PRI/CoS位可以定义八种优先级/业务等级，除去重要的控制信令使用最高优先级外，大致还可以区分出4-6种业务等级。已经提交的RPR提案中对业务等级的定义与和细节描述不尽相同，但总体上看来大同小异，可以归纳为以下三种。
固定带宽业务，用于业务速率恒定的情况。根据对时延和抖动有无特殊要求，还可以分为快速前传（EF）和保障前传(AF)两种。前者具有严格的延时和抖动保障机制，从用户接口进入环或者通过环节点时均会得到优先处理，在网络发生故障，环保护切换时最先倒换。如果检测到数据传输错误则不做处理。EF等级要求环保持同步，可以用来传送语音和图像流，也可以用于虚拟专线业务。AF等级则对延时和抖动无特殊要求，但是需要严格的错误检测与重传机制，可用于无突发的数据业务。
可变带宽业务，用于有承诺带宽并且允许一定突发数据的业务。但是突发部分的带宽没有保障，在保护倒换发生时如果没有剩余可用带宽，可采用RED等算法直接丢弃。
尽力而为的业务（BE），与传统IP中的业务等级类似，其优先级最低，当然服务商收取的费用也最低。
RPR把带宽预留与服务质量结合起来管理环上的带宽分配。数据流在进入环路时被分类、管制和缓存。由于采用了空间重利用协议和多等级QoS保证机制，业务在不同节点进入环网时必然要遇到带宽分配和竞争的问题，因此选用适当的公平性策略是很关键的，合理的公平性策略有可能极大地提高网络总吞吐量。环行拓扑结构有其内在的带宽分配公平算法，环上的带宽可以很方便地作为全局性的资源进行管理和分配，对于各种公平性策略下的网络性能研究也是RPR标准化工作的重要组成部分。
4、基于RPR的城域网解决方案
RPR技术使得运营商在城域网内以低成本提供电信级的服务成为可能，在提供SONET/SDH级网络生存性的同时降低了传送费用。RPR最引人注目的特点就是支持电路仿真，可以用来承载城域语音业务。虽然IEEE802.17工作组还在进行RPR标准指定和测试工作，RPR的正式商用还要在一年以后，但是由于预期的良好市场前景，许多公司都已推出了不同的非标准RPR城域交换产品，以期在激烈的市场竞争中占得先机。最具代表性的产品有Cisco的DPT/SRP,Nortel Networks的InterWan Packet Transport，以及Luminous Networks的PacketWave。相应地，一些大的半导体生产厂商也宣布即将推出RPR MAC层芯片，比如Vitesse与Nortel合作，将于2001年第三季度推出支持GFP的RPR芯片VSC9129，AMCC也承诺将于年中提供DPT/SRP的芯片级解决方案。而敏迅科技（Mindspeed）已经推出了号称是首个支持RPR网络的产品CX29950RingMaker环路处理单元，思科已经开始使用CS29950，而且Riverstone Networks近期确认它也正在其前期的RPR开关设计中使用该芯片。但在正式标准未出台前，以上方案都属于前瞻性的技术。虽然每个供应商都承诺，一旦802.17标准出台，就改造其产品以符合802.17标准，但在规范形成前造就事实上的工业标准以影响标准的制定也是所有厂商的目的。
5、结束性
弹性分组数据环技术还处于早期研究与探索阶段。由于其集IP的智能化、以太网的经济性和光纤环网的高带宽效率和可靠性，业务普遍对它的市场前景表示乐观。预计在未来的五年里，该市场将比长距离设备市场发展得更快。RHK市场研究公司的一份调查报告显示，到2003年，RPR的市场规模将达到130亿美元，相信RPR能够经得起时间的考验，成为城域网的主要技术之一。
摘自《电信科学》2001年第11期
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