雷蕾 黄永清 李玲
（北京邮电大学，光通信与光波技术教育部重点实验室）
摘要 弹性分组环（RPR）是一种用于构建城域网的新技术，IEEE 802.17工作组于前不久讨论通过了IEEE 802.17 RPR协议。文章重点介绍了RPR的几项关键技术，同时也提出了它在构造网络时的一些局限性。
关键词 RPR，城域网
1 引言
城域网是连接广域网和局域网的桥梁，它承载的业务类型多、突发性强，其实现技术灵活多样。
目前几种常见的城域网实现技术包括SDH、ATM和以太网。其中，SDH由于设计初衷是用于TDM业务的，采用固定带宽分配，所以在用于数据业务时，带宽利用缺乏灵活性。同时，在SDH的保护机制中，即使是无故障情况下，保护光纤也不能用于传送业务，这样做虽然有效地增强了网络的可靠性，但是也浪费了大量的可用带宽。ATM传送方式的业务质量高，但实现技术复杂，成本高昂，效率低下。以太网成本低廉，实现简单，但是不能有效地支持QoS。为了适应当前数据业务激增的趋势，在综合分析这些技术优缺点的基础上，人们提出了RPR技术。
尽管RPR是为了传输数据业务而提出的组网方案，但是它50ms电信级故障恢复能力以及带宽公平机制和拥塞控制机制，使它同样胜任于TDM话音业务。RPR传送能力强、能融合多种业务的特性促使它成为诸多下一代城域网技术中的亮点。本文就将对IEEE 802.17协议中定义的几项RPR关键技术做扼要的介绍。
2 RPR的帧格式
RPR采用类似以太网的帧封装格式，因此比POS的帧封装形式更加简化和灵活。RPR的帧类型包括数据帧、公平帧（用于公平算法中）、控制帧（指示拓扑和保护的信息，负责OAM）和空闲帧（用于速率适配，从而补偿各节点间的速率差异）四种。
这里，我们着重介绍数据帧的格式，其结构如图1：
各个部分的说明如下：
ttl：业务在环上的生存期限；
ri：环标识比特，指示业务从哪个环插入的；
fe：指示业务遵循公平性算法的约束；
ft：2比特的帧类型指示，分为数据、公平、控制和空闲四种；
sc：2比特的业务等级指示，分为A0、A1、B和C四级；
we：指示业务是否可以在可环回节点进行环回；
p：奇偶校验比特，保留；
da：目的地址；
sa：源地址；
ttl base: 该字节中存储的是分组第一次进入环的时候应该填充在ttl域的数值，它可以用来快速计算分组经过的跳数。
ef: 扩展帧比特，用于指示扩展帧类型；
fi: 2比特洪泛指示，在单环或双环上指示当前有洪泛帧；
ps: 经过源节点比特。发生环回之后，源节点在反向环上设置帧的这一比特，表明已经经过了源节点。其作用是判断分组是否被及时剥离。
so: 按顺序传送指示比特，如果设置这个比特，表示帧必须按照严格的顺序到达目的端；
res: 3个全0比特，保留；
hec: 信头差错校验，对以上信元头的16个字节进行校验。
上述帧结构中，目的地址和源地址都是48bit的以太网MAC地址，这样，环上的节点可以进行快速的第二层转发，节点只需要判断对分组进行插入、转发还是剥离操作，不必为了寻找下一跳路由进行第三层的分析处理 ，从而大大简化了节点的操作，提高了传送速率。
3 双环结构
RPR采用双环结构，两个环的传送方向相反。不同于以往的双环SDH或者FDDI，这两个环都是工作环，而在光纤或节点发生故障时，它们将通过保护倒换，互为保护环，如图2所示。
4 RPR的协议栈
RPR是一种MAC层协议，可以携带多种上层业务，对物理层也没有具体规范，可以使用WDM、SDH或者以太网的物理层作为传输媒介。因此，运营商不必对已有的网络进行改造就可以引入RPR，很大程度地保护了已有投资。
5 带宽利用率
SDH环路中，保护光纤只能是工作光纤的备份，不可以独立携带业务；而RPR的双环在平时都用于传送业务，因此RPR的带宽利用率明显高于SDH环路。
RPR带宽利用率高的另外一个原因是采用了空间复用机制(spatial reuse protocol)。RPR上的业务到达目的节点后就被取出（多播或者广播业务仍然在源节点取出），而FDDI环路要求业务达到目的节点后还要继续传送，直到源节点才被剥离。因此，RPR环上不被业务占用的一部分带宽就可以用于传送其他业务，就使得光纤带宽的利用率进一步提高。空间复用的原理如图3所示。图中，节点B向D发送业务的同时，节点E-A之间没有被使用的带宽也可以用于传送业务，这就实现了空间复用。
6 保护倒换机制
RPR标准中规定了两种保护倒换方式：源节点导向方式（steering）和环回方式（wrap），这两种方式都可以保证环保护时间小于50ms。其中，源节点导向方式由源节点执行环的倒换，这种方式是协议中规定的默认倒换机制。而环回方式由故障点的两侧节点执行环的倒换。它们的工作原理如图4所示：
源节点导向方式RPR标准中的默认保护倒换方式。采用这种倒换方式时，由于在故障发生后、新的拓扑发现之前，没有任何存储转发机制，所有从源节点发往故障区域的数据都只能被丢弃，因此这种方式的丢包率比较大。而采用环回方式的时候，在故障发生到故障链路两侧节点实现保护倒换之间的这一段时间内，会丢失数据包，其他时间都有确定的数据存储转发机制，因此，它的丢包率相对较小。但是，环回方式在故障发生后、新的最优通路发现之前，倒换所采用的临时通路（非最优通路）占用了额外的链路带宽，同时还加大了时延（包括源节点发现故障的时间以及等待所有发向故障区域的数据包返回到源节点的时间）。
7 业务等级
RPR的传送业务等级分为A、B、C类，其对应的服务质量保障依次降低。A等级的时延和时延抖动都最小，可以用于传送实时业务，它又进一步分为A0、A1两个等级。B等级允许一定的抖动和时延，又分为B-CIR（承诺速率）和B-EIR（额外速率）两个等级。C等级业务是尽力而为型的。
以上业务等级中，B-EIR和C等级一起构成了RPR中定义的FE业务等级，也就是受公平算法约束的业务等级，这类等级的业务所占用的带宽由公平算法进行分配。值得注意的是，FE等级的业务并不是在发生拥塞时就可以丢弃的业务。RPR在传送时，不会因为拥塞而丢弃已经在环上运行的业务，所以只要光纤或节点不出现故障，环上的业务都最终会被传送到目的节点，只是不同等级的业务，带宽分配方式有所不同。
8 公平算法
如果没有任何带宽公平机制，RPR节点接入传输媒质后，可能会长时间无限制地占用全部带宽，致使其下游带宽总也得不到相应的带宽而无法传送，这就是所谓的带宽“饥饿”问题。
为了克服这一问题，RPR协议对FE等级的业务采用了公平性算法，确保了环上的每一个节点都能公平地享用可申请带宽。如图5所示，假设总的带宽为2G，则当A、B、C、D都向E节点发送业务的时候，每条链路将占用500M带宽。
如果节点的转发业务量超过规定的门限，发送链路的带宽全部被占用，本站的业务不得不等待很长时间才能够发出，说明该节点及其发送链路发生了拥塞。此时，RPR就会启用公平算法。发生拥塞的节点将从反向环给造成这次拥塞的所有上游节点发送公平消息，消息中包含对上游节点的期望速率。上游节点根据消息中所要求的公平速率，改变其发送速率。
协议提供两种可选公平性算法，一种“保守型”（Conservative mode），一种“积极型”(Aggressive mode)。
启用保守型算法时，拥塞节点发出公平消息后，会等待上游节点调整到公平速率，然后对调整后的情况进行分析，如果拥塞没有解除，则再次向上游节点发送一次公平消息来调整上游节点的发送速率（根据当前拥塞情况，调整速率可大可小），如此持续，一直到拥塞解除。
启用积极型算法时，拥塞节点持续向上游节点发送最新的估计公平速率（每100us发送一次），直到拥塞解除后，该节点向上游节点通知拥塞解除，则上游节点可以逐渐增大发送速率。如果增大后的发送速率又一次引起了该节点的拥塞，则它又会不断向上游节点发送最新的估计公平速率，直到拥塞解除。由于有上次调整的经验，这次调整时公平消息中所提出的估计速率会更接近平衡速率，因此各节点会比上次更快地进入平衡速率。
由于拥塞节点提出公平速率都是估计速率，因此在进行公平算法时，上游节点会不断地调整速率，因而会产生速率抖动。保守型算法中，调整速率是在上一次调整速率的基础上提出的，因此引发的速率抖动相对较小，但由于发送公平消息的间隔较长，抖动持续时间也较长。采用积极型算法时，由于拥塞节点持续发送公平消息，不用等待上次调整后的结果就提出这一次的调整速率，因而引发的抖动也较为剧烈，但这种情况下各节点能够较快地达到平衡速率[2]。
9 拓扑发现机制
RPR节点选择最短路由以及执行保守型公平算法时所采用的公平算法环回时间，都是根据拓扑信息计算得到的。当RPR环拓扑发生变化时，例如环的初始化、有节点插入环、节点发现链路故障、节点收到与自己保存的拓扑图不一致的拓扑消息，节点都会通过发送拓扑发现消息来建立整个环的拓扑。
当节点向环发出拓扑发现消息后（同时沿两个环的方向发出），沿路经过的各个节点会将自己的状态添加进拓扑消息中，并向下传递，源节点收到自己发出的拓扑消息后，就可以在自己的拓扑数据库中建立整个环的拓扑了，并引起整个环上拓扑更新的涟漪效应。
为了加强环的鲁棒性，在环稳定运行期间，各节点也会定时地发送拓扑消息以确保运行正常。
10 RPR环的局限性
由于RPR是MAC层协议，其应用仅限于单环，跨环时必须终结，因此无法实现跨环业务的端到端带宽共享、公平机制、QOS和保护功能。因此构建城域网时，有一定的拓扑局限性。
另外，如果和SDH一同搭建城域网，必须考虑两种保护机制的协调问题。
11 结束语
RPR技术在实现城域网方面有突出的优势，它能够很好地支持数据传输和话音传输。同时，RPR网络构造简单、传送能力较强，其空分复用机制、公平性机制、拓扑发现机制都是比其他技术有较大改进的地方。虽然RPR环还有一些局限性，但是，人们关注RPR的热情依然不减，RPR仍然是一项很好的城域网技术。
12 参考文献
[1] IEEE Draft P802.17/D3.3, “Resilient Packet Ring,” 2004,4,21
[2] F. Davik, M. Yilmaz, S. Gjessing, N. Uzun. “IEEE 802.17 Resilient Packet Ring Tutorial”. IEEE Communicaiton Magazine, March 2004, pp.112-118
[3] RPR Alliance, “An Introduction to Resilient Packet Ring Technology- A Technical White Paper”. 2002,01
[4] 张成良.传送网又一轮的竞争重点——城域传送网．电信科学，2002,5:22-26
[5] 李芳.全方位解析RPR技术特点及其局限性.通信产业报，2004,3,15
[6] 苏贤刚，王强.弹性分组数据环技术.电信科学，2002,5:34-37
[7] D. Woods, “RPR Soups Up SONET and Ethernet”, NETWORK COMPUTING, 1.23.2003, pp. 77-78,81-82
[8] 敖发良，周胜源等.用于光城域网的新型RPR技术.光通信技术,2002,6:11-14
作者简介：
雷蕾，光通信与光波技术教育部重点实验室，博士研究生，主要从事高速光通信网的研究。
黄永清，光通信与光波技术教育部重点实验室，教授。
李玲，光通信与光波技术教育部重点实验室，教授。
摘自 光纤新闻网
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