摘要：RPR（Resilient Packet Ring）－弹性分组数据环技术是融合SONET/SDH和以太网技术的优点，同时增加新特性的一种新兴的技术，主要在城域网骨干和接入方面应用，同时也在分散的政务网、企业网和校园网中有应用，还可应用于IDC和ISP之中。本文主要介绍了RPR标准的进展、RPR主要技术特点，以及作为RPR联盟成员的华为公司在RPR技术方面的解决方案和主要应用。
关键字：环网 SONET/SDH RPR 快速保护倒换 公平算法 拓扑发现
1：数据通信的发展
随着宽带接入和其他网络应用需求的的急骤增长，导致了大量基于IP的数据业务，窄带网络向宽带网络的过渡成为发展趋势，宽带业务正逐渐成为运营商和各行业拓展业务领域、增加收入、提高竞争力的焦点。
宽带业务的快速发展对整体网络结构带来相当大的冲击，主要体现在面向电路优化的传统SONET/SDH网络体系，很难适应数据业务的突发性，在带宽利用率、网络成本、业务开通速度、网络维护、满足用户宽带需求的灵活性等方面，都体现出了不适应性。虽然SONET/SDH技术本身也在不断改进以尽力满足新的需求，但其固有的面向连接的特性使其在处理数据业务时，不能从根本上满足业务需求变化而带来的网络需求。
以太网技术以其成本低、简洁、易扩展、适合于IP 包的传输和处理等特点，广泛应用于局域网，但是如果直接将以太网应用于城域网或广域网中，仍然存在问题，它在网络规模、端到端业务建立、QOS质量保证、可管理性、可靠性等方面还存在不少需要克服的难题。
能否在原有SONET/SDH的基础上加入对数据业务层的处理，如具有高带宽分发能力和粒度扩展能力，以及广泛应用于局域网的以太网的二层处理、ATM的统计复用和QOS等功能，使其更适合数据业务的传送，取长补短，以一种新型技术，来组建以数据为中心的网络，为运营商和各行业提供高弹性、高可靠性、带宽可管理、高性价比、多业务传输的解决方案？于是出现了一种新的技术，即IP环网RPR技术。
2：RPR标准进展
由于看到目前SONET/SDH的高市场占有率以及城域网传输的巨大潜力，许多公司将以太网技术和SONET/SDH技术结合，各自竞相推出了自己的IP环网技术，以期在激烈的市场竞争中占得先机。如Cisco的DPT、Nortel的IPT、以及Luminous的RPT等等，但是由于实现的机制不同，产品互通等方面存在问题。IP环网要继续发展和推广，急需标准化并进行统一，弹性分组环即RPR就是IP环网标准化的结果。
RPR的标准由IEEE802.17小组负责进行标准化，主要完成MAC层协议、传输通道和公平管理、拓扑发现、保护倒换、不同物理层的适配、以及与802系列标准的适应性、管理等标准的制定工作。IEEE 802.17 工作组和RPR 联盟致力于将以太技术、SONET/SDH两者的优点合而为一，研究并规范化一种环网拓扑上使用的MAC 层协议－RPR，满足面向数据优化网络的需求。同时IETF也成立了一个工作组叫做IP over RPR （IPoRPR），对基于RPR组网的业务应用提出标准化建议，负责IP和MPLS在RPR上的运行，以及RPR的MIB信息方面的工作，涉及到网络层和传输层。另外，由国际电信联盟ITU和ANSI组织负责RPR下一些物理层方面的标准的制定。
RPR联盟是另外一个非常重要的组织，RPR联盟主要是支持并推广RPR标准，为RPR提供产品化和服务、以及产品间的互联问题。在RPR联盟成员中，有传统的电信厂商，如北电、阿尔卡特，也有数据通信厂商，如思科，还有很多芯片厂商，如Intel、Xilinx等等，可见业界对于RPR技术是非常支持的，从而也说明，RPR具有非常好的发展前景。华为作为RPR联盟的成员之一，一直致力于RPR标准化和产品化方面的工作。
自2000年3月成立RPR标准研究组以来，经过几年的努力，于2002年1月份确定了基线版本－Darwin协议草案，9月份将完成最后的技术更改，正式的RPR标准将在2003年3月份推出。
3：RPR主要技术特点
RPR（Resilient Packet Ring）－－弹性分组数据环技术集IP的智能化、以太网的经济性和SONET/SDH光纤环网的高可靠性于一体，为宽带IP城域网运营商和各行业专网提供了一个良好的组网方案，在提供SONET/SDH级网络生存性的同时降低了传送费用。
RPR和SONET/SDH和以太网的比较如表1所示：
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特点 |
Ethernet |
SONET/SDH |
RPR |
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网络形式 |
总线/点点互联 |
双环网 |
双环网 |
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50ms快速保护 |
无 |
支持 |
支持 |
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IP业务的支持 |
好 |
不太好 |
好 |
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控制延迟和抖动 |
差 |
好 |
好 |
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多播支持 |
支持 |
不支持 |
支持 |
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带宽利用率 |
较高 |
低 |
高 |
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带宽公平性 |
差 |
差 |
好 |
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QOS支持 |
差 |
较差 |
好 |
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可管理性 |
差 |
较好，复杂 |
好 |
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拓扑自动发现 |
不支持 |
不支持 |
支持 |
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业务扩容 |
简单 |
复杂 |
简单 |
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组网经济性 |
经济 |
昂贵 |
经济 |
|
复用方式 |
统计复用 |
时分复用 |
统计复用 |
|
支持速率 |
10/100M 1/10G |
155M~10G |
155M~10G |
表1 RPR和SONET/SDH和以太网的比较
RPR是工作在OSI协议栈第二层MAC子层的协议，但是其有别于传统MAC最吸引人的特点是具有电信级的可靠性，使其不仅仅只是局限于处理面向数据的业务传送需求，同时可以形成处理多业务传送的综合传输解决方案，可以实现在光纤介质上通过不同的物理层直接承载IP和TDM业务。RPR的设计宗旨就是网络要适合IP数据业务，具有高可靠性，并且可运营可管理，从而可为城域网提供低成本、高性能的解决方案。
RPR环网是由逆向双环组成，一个为顺时针方向，一个为逆时针方向，双环都可以同时传输数据和控制信息，其中内环的控制信息控制外环的数据，外环的控制信息控制内环上的数据。
在RPR定义的MAC层的结构中，MAC层向下通过适配子层同物理层相连，向上提供对业务层的支持。RPR主要包括MAC层和MAC控制层。其中MAC层主要处理数据的传输处理、报文头处理以及报文错误校验。MAC控制层实现RPR的公平控制、保护倒换、环路选择、拓扑发现、OAM管理等方面的工作。另外还有MAC管理层，主要处理MAC层的MIB信息，完成MAC的操作和性能管理等等。RPR的MAC层结构如下图1所示：
图1 RPR的MAC层结构
可以看出，RPR 技术吸收了千兆以太网的经济性，吸收了SONET/SDH 对延迟和抖动严格保障、50ms快速保护倒换特性。RPR 采用类似以太网的帧格式，基于MAC进行高速交换，简化IP 前传。RPR定义了一个闭合环路、点到点、基于MAC层的逻辑环状拓扑，对于物理层来说，RPR 就是一组点到点的链路，而对于数据链路层来说，RPR 就像是一个类似于以太网的广播介质网络。RPR 内外环上可同时传输数据包和控制信息，以及基于目的地剥离的特性可有效地提高带宽资源的利用率，保护机制继承了SONET/SDH的特点，同时也克服了冗余资源预留的弱点。多种速率和多物理层支持，使得很容易扩展。
RPR简化了IP网络结构和层次，提高了效率，也使得IP统一网络业务平台成为可能。
1）多物理层的支持
由于RPR是链路层MAC层的协议，与物理层介质无关，因此可支持多种物理层，目前定义的物理层包括SONET/SDH和以太网，其中SONET/SDH支持POS封装和ITU新定义的GFP封装，以太网支持GE和10GE接口，RPR通过适配子层同物理层相连。
2）带宽的高利用率
带宽利用率高是RPR的重要特点，主要由以下几个方面：
Ø 双环同时传送数据和控制信息，与SONET/SDH上不一样，不存在光纤空闲备份的情况，光纤利用率高。
Ø 基于带宽共享和统计复用，RPR报文也是分插复用ADM的结构，具有空间重用的特点，环网节点之间数据传输互不影响，同时支持不同节点间独立的并发传输和相同节点重叠的并发传输，使得环网的资源可以分段使用，使整个环网的累积带宽大于单个链路的带宽容量，也大大提高了带宽的利用率。
Ø 单播报文采用目的剥离的方式，报文一旦到达目的地，就不再在环上继续传送，提高了环网的利用率。
Ø 环网节点数据处理一般包括转发、发送和接受，环网上大量的转发数据处理是在MAC层完成，不需要到IP层进行处理，而且数据转发可使用存储转发store-and-forward和直通cut-through方式，其中直通的方式处理速度快，性能高。
3）快速的保护倒换
RPR的设计目标是提供50ms的电信级的保护，RPR提供两种不同的倒换方式，即源路由（Steering）和回绕（Wrapping）方式，其中源路由方式必须支持，回绕方式可选支持。
图2分别是两种倒换方式的示意图：
图2 RPR的保护倒换
回绕方式的倒换：
这种倒换方式比较简单，当环路上的某个地方发生故障时，在发生故障附近的节点处自动环回，即把内环和外环连在一起，通过协议在相邻失效节点之间进行。回绕方式的特点是倒换速度快，基本没有数据丢失，但是缺点就是浪费环网的带宽，使得数据流走很多弯路。
源路由方式的倒换：
当环路上的某个地方发生故障时，数据流不需要从发生故障的的地方环回，该故障点和类型的信息会发送到每个节点，拓扑也相应更改，源节点只需要直接按新的拓扑进行路径选择，并根据新的路由发送数据给目的节点，已经发出的小部分数据将在故障点被丢弃。源路由方式的特点是带宽利用率高，但是倒换的速度慢，在计算路由时会造成数据的丢失。
华为根据两种倒换方式的特点，提出一种新的倒换方式，综合了二者的优点，倒换时先使用回绕的方式，尽量保证数据不丢失，同时进行拓扑信息的传递和更新，计算出新的路由，并切换到源路由的方式，以充分利用带宽，使系统达到最优的性能。
需要说明的是，所有的保护倒换都是基于双向出错的，包括单光纤故障、双光纤故障、节点故障、断开节点以增加新节点等，对于环网来说，都会认为环网出错并在出错处的节点进行倒换。另外，同一个环网内的节点应该采用相同的倒换方式。
4）带宽管理的公平性
带宽公平管理是RPR环网的一个特点，由于RPR环网的带宽资源在节点之间是共享的，不允许单个节点独占总的带宽，以免造成系统的阻塞，因此它提供一种环网级别的全局公平算法，以保证各节点公平享用带宽，同时又能够最大限度提高带宽的利用率。如图3所示：
图3 RPR的带宽管理机制
公平算法RPR-fa是通过在环网节点设置权重，并监测自身带宽资源的使用情况，同时在节点间提供显式的反馈机制，该反馈信息通告发送源网络当前的可用能力，以使之调整流量，最终实现全网的公平。当一个节点有拥塞发生，它将通过与传送数据相反方向的节点发送拥塞公告，告知一个公告速率，上游节点利用这个公告速率来调整自己允许上环的速率，以使得不超过拥塞节点公告速率，如果该节点也发生了拥塞，就同样计算其公告速率发送到其上游节点。
公平算法是全局的，在公平算法中，节点首先要确定拥塞门限，并根据拥塞的情况，确定向上反馈的公告速率以及确定本节点允许向环上发送的速率。在RPR环网的结构中，数据分为发送数据和转发数据，大量的转发数据不需要经过节点的处理，直接在环上传递，节点的发送数据根据提供的不同的队列和优先级加入到环网上，通过带宽管理和反馈机制来保证网络无阻塞以及带宽的公平使用。
在RPR网络中，具有很好的QOS保证，这是通过带宽预留、优先级队列机制和公平算法等来实现的。
正是由于RPR有带宽预留和公平机制，RPR可为用户提供多种SLA服务，为服务商提供灵活的业务。服务商可根据用户付费的情况，确定时提供保证速率业务还是突发业务，对于保证速率的业务，也可以根据付费的多少，提供不同的带宽。这些都可以由服务商方便地控制和管理，真正实现可运营可管理。
5）多播的有效支持
RPR支持多播是其优于SONET/SDH的又一大优点，环网提供对多播和广播报文的支持，相应的数据包在环网上只有一份拷贝。多播和广播是基于源剥离的，即目的节点将接收数据包并转发，而源节点则负责将多播包和广播包从环网上剥离。
由于RPR环网的报文结构与以太网很相似，仅增加环网头和部分其他的字段，利用现有的MAC地址编码技术就可以有效地表示多播和广播报文，同时也使得相关的协议不需要大的改动，具有很好的延续性。
6）自动拓扑发现支持即插即用
在环网RPR的MAC控制中，提供自动拓扑发现的功能，拓扑发现是通过拓扑结构发现报文在环上传送一周来完成，每经过一个节点该节点会附加本节点的MAC地址，最终每个节点就获得了整个环网的拓扑结构信息。网络拓扑信息可用于发送路由和内外环的选择，自动拓扑发现除定时进行外，当检测到光纤故障、插入新节点、接收到保护倒换信息时也会进行，另外，为了网络的可靠性和稳定性，只有接收到两个完全一致的新的拓扑表时，才进行拓扑的更新，以防止短暂的拓扑变化的影响。
自动拓扑发现的一个主要的特点就是RPR环网能够实现即插即用。在传统的传输中，如果增加一个新节点，需要对该节点以及与其有业务关系的节点进行复杂的配置，存在N平方的问题，也使得增加新业务不灵活，开通时间慢。而在RPR网络中，由于有自动拓扑发现功能，增加新节点无需复杂的配置，大部分工作由系统自动完成，这样，使得网络初期规划简单，增加新业务简单快捷。
7）TDM业务的支持
RPR提供多业务的支持，可提供较强的数据业务处理能力，而对TDM 业务的处理能力相对较弱，可以在语音业务不大时得以应用。由于RPR具有很好的QOS保证，可利用保留的带宽进行主从节点的同步传输，实现时间的精确同步，另外将TDM语音业务直接封装在RPR报文中，使用高优先级传输，以提供低延时抖动的保障。
8）OAM管理的支持
RPR环网提供OAM管理特性，主要用于错误管理、性能管理和配置管理。
错误管理实现远程错误指示RDI、连续性检测CC、环回检测LB、启动/关闭连续性检测A/D等功能。通过连续性检测和远端错误指示可以进行环网上错误节点的探测，通过环回检测，可以进行环网错误节点的定位和测试。
在性能管理方面，可提供系统性能和服务质量等方面信息的监控和统计。
4：华为的RPR解决方案和应用
华为公司作为RPR联盟的成员，一直积极参与RPR标准的制定和讨论，跟随最新RPR的进展。在产品发展上，将完善接入层、汇聚层和核心层的RPR产品，并在传输设备、路由器和交换机等设备上全面支持RPR；支持622M～10G的速率，并提供支持以太网和SONET/SDH物理层的RPR产品。华为会根据RPR最后标准的推出而推出标准的RPR产品。
华为的IP环网，提供优化的保护倒换机制，并结合上层协议的QOS，可以提供更加完善的解决方案。
RPR主要在城域网骨干和接入方面应用，同时也可以在分散的政务网、企业网和校园网中应用，还可应用于IDC和ISP之中。RPR环网的主要目标是建立低成本高性能的城域网，作为城域网中IP业务的承载网络，由于其具有较好的QOS特性和带宽保证，因此也可应用于接入网和VPN业务。
下面介绍IP环网的主要应用。
1）城域网骨干应用
RPR网络可通过裸光纤直接相连，简化网络结构，节省用户对传输网络的投资；网络具有高的可靠性，可提供50ms电信级的快速保护倒换；同时RPR环网可提供高的速率，以及很高的带宽利用率，满足城域网骨干的需要。如图5所示：
图5 RPR在城域网骨干的应用
汇聚层和骨干层可建立各自的RPR环网，同时支持以太网和SONET/SDH物理层，可接入以太网交换机和路由器。
2）城域网接入应用
RPR可为城域网中分布较散的商业楼、居民楼以及住宅区用户提供低成本、高性能接入功能，用户可以从中获取宽带接入、VPN、VoIP等多种不同级别的服务，服务商可根据用户的需求和费用的情况，开展不同的业务。
在接入部分，RPR对不同用户网络使用时段的不同提供了一个很好的解决方案，行业客户白天网络流量大一些，而居民小区则在晚上大一些。同时可利用RPR的公平机制，可保证接入用户带宽的公平性，不会出现部分用户的拥塞，具有很好的可管理性。
环节点的可扩展性能够很好地解决了分散客户接入的不确定性，使网络的规划变得简单，即插即用的特点大大缩短了业务的开通时间，提高了业务提供的灵活性和服务质量。
城域网的应用如图6所示：
图6 RPR在接入网的应用
3）区域网应用
RPR 可为具有分散机构和分支的区域网，如政务网、企业网和校园网提供组建核心层的功能，提供各办公机构用户、数据中心、Internet等连接，提供对现有FDDI 环网的一种逻辑优化，并保留自愈环的特性。应用如图7所示：
图7 RPR在区域网的应用
RPR具有的稳定性高、管理性好、可靠性高的特点，可为企业网用户建立低成本、高效、安全的内部网络，同时支持MPLS，可开展VPN业务。
在使用MPLS VPN时，MPLS标签在环上不改变，每个LSP将整个环作为一跳，既加快前传速度，又减少每节点的MPLS LSP表的大小。
4）IDC应用
IDC可提供虚拟主机和主机托管业务，在大量Web服务器和内容服务器集中上网的场合，环网可提供有效的解决方案，提供内部的高速连接。如图8所示：
图8 RPR在IDC的应用
通过RPR网络连接服务器，可靠性高，无单点故障，网络稳定，公平机制使得节点业务不会出现拥塞。
路由器的RPR接口支持VLAN 802.1Q，支持VLAN的透传，可以按需要将该物理接口通道化为多个逻辑接口，为同一物理端口上的多个子网提供有效的隔离，同时大大节省IP地址。
5）ISP应用
传统的POP点内的连接通常采用快速以太网的交换和点到点的连接，其缺点主要是设备组成复杂，网络部件较多、带宽利用率不高、负载不均衡、不易扩展等。通过改造使用RPR环网，可使网络拓朴简洁，IP地址得到节省，光纤资源得到较高利用，可靠性也得到提高，同时，IP环网RPR的公平性也使得核心设备的端口压力得到很大缓解。RPR在ISP中的组网如图9 所示：
图9 RPR在ISP的应用
5：总结
RPR融合了SONET/SDH的网络结构和可靠性，采用以太网的MAC处理方式，同时提供空间复用、带宽管理、公平算法、自动拓扑发现等新技术，可为城域网提供基于IP数据业务的理想的解决方案。
“是完善而不是竞争”是RPR的一个重要的理念， RPR作为一种新兴的技术，其发展得到包括电信运营商、设备供应商和芯片供应商的广泛关注和支持，这主要还是基于RPR相对其他技术有明显优势，包括成本优势和技术优势，因此可以说，RPR具有非常好的发展前景。
华为根据基线化的版本推出RPR产品，并提供标准化后可进行升级的接口，华为将跟随RPR的技术发展，并根据标准化的情况，为广大的用户提供更加完善的RPR解决方案。
