城域网RPR弹性分组环技术详解

RPR（弹性分组环技术）是一种在环形网络结构上兼容多种数据速率的新型媒体访问控制（MAC）层协议，它可以在一系列的物理层上工作，如：SONET/SDH、千兆以太网（IEEE 802.3ab）、10Gbit/s以太网（IEEE 802.3ae）及密集波分复用（DWDM）等。当速率越来越高的物理层再现时，RPR同样会支持这些物理层，RPR的协议栈层次如图4-38所示。

图4-38 RPR的协议栈层次

RPR技术融合了以太网技术的经济性、灵活性、可扩展性等特点，同时吸收了SDH环网的50ms快速保护的优点，并具有网络拓扑自动发现、环路带宽共享、公平分配、严格的业务分类（COS）等技术优势，目标是在不降低网络性能和可靠性的前提下提供更加经济有效的城域网解决方案。它可以提供两个关键的并且只有SONET所具有的特性：有效的支持环形拓扑结构和在光纤断开或连接失败时能实现快速恢复。同时RPR还具有数据传输的高效、简单和低成本等典型以太网特性，可有效地传送数据、语音、图像等多种业务。

1.RPR技术基本原理

RPR技术在城域网的应用是用来改进SONET/SDH或DWDM环的数据处理特性，并具备非常快（小于50ms）的保护切换能力，更重要的是它同时传送MPLS标签交换信息。基于RPR技术的城域网结构如图4-39所示，它是满足以包为基础城域网的需求而设计的一种网络体系结构和技术。

图4-39 基于RPR技术的城域网结构示意图

根据IEEE的标准框架结构，802.17和802.3是平级的链路层协议，可兼容多种数据速率。RPR同样也属于广播型网络，一个数据包可以到达环上所有的节点。这意味着多种用于广播型网络技术能够继续用于RPR，如地址解析协议（ARP）、生成树协议（802.1D）和三层协议等。

（1）RPR的帧结构介绍。RPR位于数据链路层Data Link，包括逻辑链路控制子层LLC、MAC控制子层、MAC数据通道子层；逻辑链路控制子层与MAC控制子层之间是MAC服务接口。MAC服务接口支持把来自逻辑链路控制子层的数据传送到一个或多个远端同样的逻辑链路控制子层；MAC控制子层执行与特定小环无关的数据寻路行为和维护MAC状态所需要的控制行为。MAC控制子层与MAC数据通道子层之间发送或接收RPR MAC帧。MAC数据通道子层则与某个特定的小环之间执行访问控制和数据传送；物理层服务接口用于MAC数据通道子层向物理媒介发送或从物理媒介接收RPR MAC帧。

（2）RPR MAC对数据帧的处理方式。RPR MAC对数据帧的处理方式有四种：上环、下环、过环及剥离。上环是指本点用户口向环上其他站点发送，需要进行上环操作，通过拓扑发现和路由表项决定其目的站点地址及环选择，根据对应的优先级送入相应的队列，最后产生RPR帧头后插入到各环端口；下环是指本点从环上接收其他站点发送过来的到本点的单播帧或多播帧，经过Stack VLAN过滤可以接收，对于单播帧将其从环上剥离并发送到用户端口，对于多播帧发送到用户端口同时进行过环操作；过环是指本点从环上接收的帧根据其优先级（A、B、C）分别放入PTQ和STQ转发通道，发送时将PTQ和STQ队列中的数据帧直接插入源环发送端口；剥离是指本点从环上接收的帧不再继续向下传递，到本点终结，如图4-40所示。

图4-40 RPR MAC对数据帧的处理示意图

（3）RPR的公平算法原理。RPR的公平算法是一种保证环上所有站点之间公平性的机制，通过这种算法可以达到带宽的动态调整和共享的目的。RPR公平算法的作用，一是应用于从MAC客户来的低优先级服务和超额中优先级服务（即中优先级服务中EIR数据帧）的业务，对于B类CIR及A类业务不进行控制；二是通过RPR公平算法可以分别控制两个子环的公平带宽，即每个RPR MAC有两个互相独立的公平协议分别调整上环的带宽。(www.xing528.com)

RPR公平算法是通过对阻塞的检测来触发带宽调整来实现的。当环上某一个节点发生阻塞时，它就会在相反的环上向上行节点发布一个公平速率。当上行站点收到这个公平速率时，就调整自己的发送速率以不超过公平速率。接收到这个公平速率的站点会根据不同情况作出两种反应：若当前节点阻塞，它就在自己的公平速率和收到的公平速率之间选择最小值公布给上行节点；若当前节点不阻塞，节点就将公平速率向上游继续传递。

（4）RPR的拓扑发现原理。通过RPR的拓扑发现原理，可以使每个站点都能了解环的完整结构，各点距离自身的跳数，以及环上各个站点所具备的能力等。从而为环选择、公平算法、保护等单元提供决策依据。RPR拓扑发现的是一种周期性的活动，但是也可以由某一个需要知道拓扑结构的节点来发起，也就是说，某个节点可以在必要的时候产生一个拓扑信息帧（如此节点刚刚进入RPR环中，接收到一个保护切换需求信息或者节点监测到了光纤链路差错）。

RPR的拓扑信息产生周期可以任意配置，一般为50ms至10s，以50ms为最小分辨率，默认值为100ms。

（5）RPR保护原理。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他节点。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）也把所有业务转移至有效环上，如图4-41所示。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他业务使用。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。

图4-41 光纤断裂时的恢复

2.RPR的实现方案

RPR有以下3种实现方案：

（1）独立式的基于2层的RPR实现方案。适用于IP城域网的接入层和汇聚层，是目前较成熟的一种解决方案。将MPLS（多协议标签交换）技术、时钟同步技术、CWDM（粗波分复用）技术和电视视频广播技术与这种2层的实现方案结合在一起，从而提供面向IP优化，并同时支持TDM（时分复用）业务的宽带多业务解决方案。

（2）基于路由器的单卡RPR实现方案。主要应用于IP城域网的核心层和汇聚层，以现有的路由器产品为平台，通过增加板卡来实现RPR的功能。可以看作是对现有路由器组网的一种优化，在节省光纤资源的同时，可以大大加强其保护性能，获得50ms的环路保护功能。

（3）基于内嵌RPR的MSTP实现方案。实际上是在MSTP环网带宽上通过虚容器（VC）划分出独立的通道来支持RPR技术。与传统SDH相比，虽然MSTP引入了2层交换技术以实现以太网业务的带宽共享，并通过GFP（通用成帧协议）实现以太网帧到SDH VC容器的映射，以及采用了虚级联和LCAS（链路容量调整方案）技术增强虚容器带宽分配的灵活性和可靠性。但是由于以太网技术应用于环型网时固有的缺点，厂家大都将RPR技术引入新一代的MSTP中，从而为支持数据业务提供全面的解决方案。

内嵌RPR的MSTP适用于建设以TDM业务为主数据业务为辅的传统运营商网络，以及在兼容现有SDH网络的前提下提供数据业务传送能力的网络升级改造。