RPR——城域网中的新技术

zjol

摘 要：本文主要讲述了弹性分组环（RPR）技术的出现背景、特性以及和现有技术的比较。它是一种MAC层协议，主要应用于城域网，目前正在由IEEE 802.17工作组进行标准化。
     关键字：弹性分组环 城域网 协议 SONET 以太网
     
     出现背景
     在今天，互联网上的数据通信量正在呈爆炸式的增长。导致这种状况的原因是多方面的，比如内部网和外部网的扩散化，电子商务（包括B2B和B2C），ASP（应用服务提供商）和网络主机申请的增长，多媒体内容在互联网上的流行等等。为了适应数据通信量的这种指数增长，通信网络正在进行种种技术革新。在广域网上，DWDM（密集波分多路复用）技术已经使网络的有效通信量大为增长。同时，企业网也在不断更新，很多企业的骨干网都采用了基于千兆以太网解决方案。然而，在企业网和广域网之间起链接作用的城域网却成为了一个瓶颈，阻碍了数据业务的发展。
     建立良好的城域网需要两个条件：首先，要有一个价格合理的、扩展性好的解决方案来适应不断膨胀的IP流量和光纤带宽的增长；其次，要有新的通用功能部件和技术来满足现有的需要。IP领域很早就认识到了环形网络结构的价值，并已在这方面作了大量努力，发展了象令牌环和光纤分布数字接口(FDDI)这样的解决方案；但这些方案却无法满足IP流量和光纤带宽增长的需要，也无法满足在拥塞情况下维持高的带宽利用率和转发量、保证节点间的平衡、迅速从节点或传输媒体故障中恢复、可即插即用等IP传输和业务传递发展的需要。因此，像令牌环和FDDI这样的环形网并不适合用于城域网。服务提供商和企业需要一种扩展性好、能够稳固地应用在城域网和广域网上、以千兆的速度传输IP信息包的技术。
     2000年11月，IEEE 802.17工作组正式成立。他们的目标是开发一个RPR (Resilient Packet Rings) MAC标准，优化在LAN、MAN和WAN拓扑环上数据包的传输。
     
     技术特点
     RPR技术之所以能够作为一种首选方案获得认可，用于大城市的数据业务传输，是因为它解决了有关城市分组传输的一系列问题。历史上，SONET已经成为人们选择的传输方式，因为它不仅能够恢复光纤的传输损耗，还能够有效的支撑环形拓扑结构。RPR技术同样具备这些方面的优势。而且，在RPR交换中数据传输高效、简明，网络成本低，使得以太网获得成功。
     首先，通信企业需要把成千上万个城市用户连接到少数几个POP、ASP或者相应的配置设备上面。要连接数量如此之多的用户，资源供应必须简单迅速。RPR无需对每一个用户进行通信业务的设计，就可以提供有效的带宽。Point-and-click provisioning 就可以通过在通信企业的NOC（网络操作中心）中运行的GUI（图形用户界面）应用，改变用户的SLA。在一个共享的环形拓扑结构中，用户通过多路复用技术实现连接，就不需要复杂的通信工程方法了。
     第二，网络中，用户接入端的通信业务量从本质上来说是突发性的，而网络核心部分的业务量较为平稳，所以具有一定的可预测性。在网络边缘，低带宽利用率的周期跟在高带宽利用率周期的后面。RPR允许网络企业只有当带宽有空余时，才提供优先级较低的网络接入服务，充分的利用了这些业务量所固有的特性。统计上的多路复用和空间的再利用，是RPR获得高带宽利用率的两种截然不同的方法，而高带宽利用率可以为通信企业带来可观的利润和收入。
     第三，光纤在环形结构中得到了广泛的应用。光纤是网络企业最昂贵的资产之一，因此，许多技术的开发都是为了更加有效的利用它。如果在城域网中获得相同的弹性，环交换拓扑结构所需要的光纤，仅仅是网格形拓扑结构所需的三分之一。RPR能够获得50ms的恢复时间，在一定程度上是因为环形结构使路由选择快速而简便。如果存在光纤传输损耗，分组就会绕环传输，从另一个方向到达目的地。所以，RPR将和现在的SONET技术一样，提供相同的弹性，而且需要的光纤较少，却具备更宽的传输带宽和更好的性能。
     第四，RPR能够保证分组交换网络的QoS。RPR交换的环是一个闭环确定性系统。每一次交换在整个环上都有确知的可利用带宽。这个环宽控制平面使得RPR能够越过环提供有限的等待时间和抖动。受控的等待时间和抖动使RPR成为话音和图像等同步数据流的理想平台。环宽智能也使网络企业能够在城市环境中提供和实施服务等级协议。这样，有了保证的SLA，通信企业就获得提供更高利润服务的机会。
     RPR的特性可以总结称以下几点：
     1、带宽效率：
     传统的SONET网络需要环带宽的50%作为冗余，RPR则不然，它仍然保持类似于SONET中APS的保护机制，利用两个反向旋转的环来控制数据业务量。RPR允许数据业务流在源节点和目的节点之间的环上传输，以此来实现空间的重新利用。目的节点从环中剥离数据分组，当一个分组从环中被剥离出来的时候，它就不再占用环的带宽，而是释放下游段供其它分组使用。
     2、保护机制：
     RPR的目的是提供50ms的业务保护，这就与SONET的ASP相类似。目前正在研究采用业务环回或者绕开的方法来避免发生的故障。采用“环回”时，和故障邻近的节点会把一个环上的业务环回到另一个环上（比如把内环上的业务环回到外环上），这种方法使数据流在经过很长一段路径到达目的节点时，都会保持连通性。“绕开”这种方法实际上是让数据流掉转方向，通过一段路径后到达目的节点。当故障发生在节点旁边时，可以将这两种方法联合起来使用，先“环回”，方便的时候再“绕开”。
     只有当充分利用了两根反向旋转的光纤时，这个保护特性才能发挥作用。业务流的优先级机制确保了优先级高的业务流能够得到适当的处理。
     3、简单的业务提供：
     RPR的目标之一是分布式接入。分布式接入、快速保护和业务的自动重建为节点的快速插入和删除提供了即插即用机制。RPR也是一项在环内使用共享带宽的分组交换技术，每一个节点都知道环的可用容量。在传统的电路交换模式下，全网格型连接需要O(n2)个点到点连接，而RPR只需要一个与环的业务连接，这样就简化了工作。
     
     与现有技术比较
     由于具有以上所属的特性，RPR和传统的技术相比较时优势还是很明显的。
     与SONET比较：
     1、 定线路：SONET环是依靠点对点连接实现的。每一条线路都分配了固定宽度的带宽，当该线路处于空闲状态的时候，这个带宽就闲置不用，而不会提供给网络运营者用于其他业务。但是，RPR在其他用户对这一带宽利用率很低的时候却可以对它进行重新利用。
     2、 虚拟网格带宽：在SONET网络中，通信企业经常需要虚拟网格配置。为了做到这一点，他们必须在网格末端之间划分带宽，这样也会造成在带宽资源低利用率期间的浪费。
     3、 保护带宽的无效性：SONET无法给通信企业提供机会，来保护部分所承诺的业务。通常要保留环带宽的50%用于保护。RPR具有更大的弹性而且可以采用粒度方法来利用保护带宽。
     4、 多址通信：由于SONET是点对点结构，进行多址通信时，必须分配每一条线路。这样就会导致多址通信分组的多个副本通过环。RPR却只要求一个多址通信分组绕环一次就可以到达网络上的任何一个或所有目的地。这对于资源供应来说更简单，同时能够更有效的利用带宽。
     
     与以太网比较：
     1、 点对点：以太网作为点对点连接的集合，所使用的光纤是RPR的2~3倍，而获得的弹性却比RPR低。
     2、 队列时延：在以太网中，如果不能提供给每一条链接100%的峰值速率，就无法保证QoS。这是设备、空间和功率的低效率利用。
     3、 以太网交换不具有系统宽度控制平台，来控制网络中某一部分的信号拥塞，……。RPR则拥有环宽awareness，所以可以保证所有SLA的QoS。
     
     与POS比较：
     RPT和POS(Packet Over SDH)一样，避免了ATM技术的协议复杂性和过高的信头开销，并且直接将千兆IP通过弹性分组数据帧格式（类似以太网帧格式）适配在光纤上，无需进行IP包的拆分和重组，从而提高了交换机的处理能力，并降低了设备的价格。RPT可提供动态使用带宽的功能，使带宽利用率提高，避免了POS点到点连接的局限性，减少了端口数。
     
     与DPT比较：
     RPT和DPT(Dynamic Packet Transport)同属IEEE802.17工作组研究内容，工作原理相似，但RPT在性能和服务上比DPT技术先进很多：
     (1) RPT有同步机制和严格的延迟和抖动的保障，可对传统语音提供服务；而DPT不支撑。
     (2) RPT提供严格的COS分类，可靠保障高优先级业务的服务；而DPT则提供相对严格的服务等级分类。
     (3) RPT控制信令可沿光纤环同向传送，不依赖反向光纤；而DPT则沿反向光纤传送控制信息。这样利用RPT可组成单纤环。
     (4) RPT提供基于源路由的50ms环网保护机制，相对于DPT环保护的“折回”方式更节约带宽
     
     前景
     弹性分组环在新型公共交换数据网络中占有十分重要的地位。它的优势是十分明显的，比如双反向旋转环拓扑结构、目的节点对业务流的剥离、50ms的故障保护机制、1~10Gbits/s的数据通信速率、全分布式的接入（无主节点）以及多址通信等等。随着IEEE 802.17标准化工作的进行，RPR一定会成为创建下一代高速光纤城域网的首选技术。