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新一代光环城域网——弹性分组环

菜鸟
2003-05-26 17:04:00    评分
刘学 吴重庆 陶滢   摘 要 在简要分析了城域网(MAN)现状的基础上,明确指出目前MAN和MAN接入网已经成为网络从局域网(LAN)到广域网(WAN)跨越的瓶颈。根据对下一代MAN的要求,人们提出多种解决方案,其中弹性分组环(RPR)是最有发展前途的一种技术。   关键词 城域网 弹性分组环 局域网 广域网 一、引言   目前,电信业的开放和互联网的发展,致使网络与通信正以前所未有的速度迅猛发展。住宅用户和各类商业用户对带宽的要求越来越高,且业务的发展和宽带的增加之间相辅相成。从网络发展的角度看,以太网(Ethernet)因其简单性、易扩展性及其高的性价比,在局域网(LAN)中已占主导地位。超过95%的用户用以太网连接其内部网络,且正以每3-5年10倍的速度增长。10Mbit/s,100Mbit/s,和1Gbit/s的以太网已广泛应用,10Gbit/s也即将商用化。同时,在广域网(WAN)方面,基于同步数字序列(SDH)和密集波分复用(DWDM)的骨干网传输速率已达到Tbit/s。但在城域网(MSN)方面,无论是光纤分布式数字接口(FDDI),帧中继(FR),异步传输模式(ATM),(SDH)等传输效率一般都不是很高,无法跟上LAN和WAN的发展,成为整个网络的瓶颈,严重阻碍了WAN端到端的服务潜力。同时,这些技术又是基于语音传输为基础的。虽然这些技术具有高可靠性和技术成熟等优点,但它们基于“专线”的方式,需要预先确定所需的带宽,这与数据业务突发性的特点显然是相背道的。这样,就导致了光传输带宽的浪费。许多研究表明,专线带宽的利用率不足50%,多数情况下不超过20%。其次,原来的传输多数是用点到点为基础的,而数据业务常需要点到多点的传输。这种情况下,以前者来适应后者,又必然要浪费大量的带宽。此外,从提供新业务的角度来看,由于网络下层承载技术往往需要一定时间来提供与管理,由开始计划到完成一条回路一般需要几周甚至几月的时间,这将严重阻碍新数据业务的提供。再有,从成本上考虑,显而易见,目前的MAN技术也不占有任何优势。   建立良好的MAN,首先需要有一个价格合理、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,其次要能够对各种不同的IP业务进行优化,以最少的中间电路层在分组交换网上传输IP业务。同时,还必须支持现有的传统语音业务,因为这仍是运营商的重要收入来源,且来应该在达到可接受的Qos保证时降低系统的复杂性和费用。由于MAN中存在大量的光环形网,充分利用其优点和特点更是非常必要。IP领域很早就认识到了环形网络结构的价值,发展了像令牌环,FDDI等解决方案。但这些方案都无法满足上述MAN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、即可插可用等IP传输和业务传递发展需要。因此,并不适用于新一代的MAN。   为了解决上述MAN存在的问题,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,在不降低网络性能和可靠性的前提下提供更加经济的MAN解决方案。2000年11月,IEEE802.17工作组正式成立,目标是开发一个PRP(Resilient Packet Rings)标准,优化在MAN拓扑环上数据包的传输。该技术结合了以太网的实用性和光设备的强大功能,利用空分复用、统计复用和保护环提高了带宽的利用率,使得协议开销最小,实现了节点对网络资源的公平利用。同时,还支持业务分级(SLA)以及即插即用等特性。该技术打破了LAN与WAN的接入瓶颈,将MAN转变为快速、简单、可靠、能及时提供丰富增值业务的带宽网络,为运营商、网络服务提供商提供了一种全新、有效的MAN的城域接入网解决方案,并预计到2003年制定出最终协议标准。而目前由于国际上还未形成统一标准,还有许多问题未达成一致意见,本文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,同时也阐述了笔者在相关问题上的看法。 二、RPR关键技术   SONET采用了固定时隙分配技术来执行带宽分配和服务保护,以太网则依赖于以太网网桥或IP路由器来实现带宽分配管理和服务保证。这样,当使用SONET时,网络使用效率不高。当使用以太网交换机时,网络的服务质量又得不到保证。考虑到带宽市场的潜力、兼容性、技术特点、技术可行性和经济可行性等5个标准,RPR采用了以缓存器插入环(BIR)为基础的优化的MAC协议来弥补这些缺陷,提供下一代接入网所要求的恢复能力、有保证的服务质量和可管理能力。 1.网络结构与协议分层   网络拓扑基于两个反方向传输的环,相邻节点通过一对光纤连接。节点间使用光纤连接并可采用WDM进行扩容。节点具有以太网接口,可直接与路由器相联。RPR的内环和外环都作为工作信道来传送简化的SDH,或者以太网帧格式和RPR协议封装的数据帧和控制帧。从网络结构可以看出,RPR支持多播传输和点到点的连接,因此更利于数据业务的传送。此外,当发现节点网元或光纤传输失效时,RPR执行快速自动保护倒换机制,数据会在50ms内转换到无故障通路,这样就提高了网络的健壮性。   从开放式系统互联模型(OSI)出发,在总结多种协议 参考模型的基础上,给出普遍认同的RPR协议参考模型。可以看出。RPR网络必须要完成的功能包括:支持多种物理层(PHY)技术,介质访问控制(MAC)客户层处理,MAC与MAC控制技术,运行、管理、维护、与操作(OAM&P),兼容性能考虑等。其中,PHY可采用Ethernet,SDH或WDM,因此对上层也是透明的。而MAC与MAC控制技术是RPR最主要,也是最基本的功能,是标准化组织研究的重点。前者主要内容是数据传输操作控制,而后者主要包括流量控制、业务等级支持(SLA)、拓扑自动识别、保护倒换等功能。 2.基本MAC协议   RPR的基本MAC结构是一个BIR,在任何一个节点都存在3个缓存,即发送缓存、接收缓存和转发缓存。如果目的地不是本地,则通过转发缓存发出。而本节点的报文则通过发送缓存发送数据。   RPR支持空分复用技术,即传输的数据报文在目的节点而不是在源节点被取出。节点11到节点2,以节点3到节点6的报文传送是完全不影响的。这样,网络不但能为传送的报文提供最短的传输路径,且仅占用户源和目的站之间的线路,环路上的其他部分可同时供其他站点使用,因此提高了带宽的利用率。 3.流量控制   由于RPR网络资源是基于共享的,同时目的地取出报文的方式又使得环上有超过一个节点同时传送信息,这就引发了流量控制的问题。如果不进行节点接入控制,每个节点随意访问将会出现网络拥塞,增加端到端的时延和丢帧率。在极端情况下,会出现完全的“饥饿”状态,即节点的带宽完全被上游的流量所占用,而本节点流量无法接入。图4中,如果节点11流往节点8和节点8流往节点10存在的流量都比较大,节点9可以传送数据的机会就比较少。如果节点9总是被上游的流量所“覆盖”,它就会完全“饥饿”。这种情况下,就提出了所谓“公平性”性能问题,即MA应该对环上所有节点支持上层客户“公平地”接入下层介质。   任何一种公平性的具体的实现都是通过一些接入算法和一些控制信息协调实现的(如Cisco公司提出的SRP-fa等)。具体算法的选择是RPR标准化组织的主要内容之一。 4.SLA支持和带宽管理   为了适应MAN客户种类繁多、交换粒度差异大的特点,除流量控制外,RPR还必须有一套灵活的动态带宽管理和多等级承载业务SLA保证机制,以满足不同业务对传输延时、抖动、、差错率的不同要求。   虽然已提交的RPR提案中对业务等级的定义与细节描述不尽相同,但总体上看,大致可以归纳为3种:用于业务速率恒定的情况固定带宽业务,用于有承诺带宽并且允许一定突发数据的可变带宽业务,与传统IP中的业务等级类似的尽力而为的业务。数据流在进入环路时首先被分类、调度,然后根据不同的优先级标识,被放入不同的缓存区。RPR对于第一种情况一般是采用带宽预留的方式来保证其传送,而对后两种则采用了动态的带宽分配方式。这样,不但提高了带宽的利用率,同时实现了对数据突发业务的语音等其他业务的有效支持。 5.拓扑自动识别   在RPR环结构中,每个节点均有上下两个相邻节点,网络结构相当简单。正常状态下,节点间没有任何关于拓扑信息的更新。而当环初始化、新节点加入环中或需环路保护倒换时,RPR进入自动拓扑识别模式。触发器触发节点向环上的所有的节点发送第二层消息,节点可根据此消息判断有哪些节点处于环形拓扑结构中,在环的两个方向上达到其它节点需要几跳以及环上每段光纤的状态。这样,在网络运行过程中,每个节点都详细地掌握着网络的拓扑图和每条链路的状态。   基于此,网络不但实现了即插即用的特点,同时当网络发生故障时,故障点的两侧节点向其他节点广播故障消息,然后每个节点得知每个节点和每条链路的现状,这样节点可根据业务服务等级的要求进行基于源路由的业务倒换。 6.保护倒换机制   如上所述,RPR是通过正反传输方向两个光环进行组网的,这种组网方式使得RPR具有很强的健壮性。当一光环切断或某一网元失效时,RPR可通过第二层的保护机制自动为数据包切换到另一环路上,即使两个环路都失效,网络仍能工作。   保护倒换机制主要有两种:采用源路由的保护机制和采用卷绕的保护机制。采用卷绕的保护机制为,当一传输光环线路失效时,通过信令通知网络节点,在失效处两端节点处绕回。因此,业务流要先沿原路到达环回处,才被切换到另一环路去,再环回,最终达到目的节点。采用源路由的保护机制,RPR则不同。当一传输光环线路失效时,失效处两端节点会发出第二层的控制信令沿光纤方向通知各个节点。业务流源节点接受到这个信息后,立即向另一个方向的光纤上发送报文,从而实现保护倒换。同时,在保护切换时,节点会考虑业务流不同的服务等级,根据同一节点的切换原则,依次向反方向环切换业务。两种机制都能在50ms的时间里完成保护倒换功能。而基于源路由切换保护机制由于不需要“折回”,因此保护倒换时间更短,同时也更能节约带宽。 三、RPR特点与发展现状   综上所述,通过结合第二层简单的交换技术和现代光网络设备传输能力、带宽有效性和低的协议开销等性能,RPR体现出很多的优点。 1.带宽效率   传统的SDH网络需要环带宽的50%作为冗余,RPR则不然,它把两个反方向旋转的环都利用起来,用于传送和控制数据业务流。此外,RPR还利用目的地报文提取的方式实现了环路带宽的空间重新利用。这样,就大大提高了带宽的利用效率。 2.保护机制   RPR可以提供在故障出先后50ms时间内的自动保护倒换业务,这就与SDH的ASP相类似,为用户提供了99.999%的服务时间。此外,业务流的优先机制确保了优先级高的业务流能够得到适当的处理,以满足实时性业务的需求。 3.简单的业务提供  RPR的目标之一是分布式接入、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,这样就大大简化了工作。   此外,RPR的数据通信速率可达1-10Gbit/s。RPR网络支持SLA,可满足用户对服务等级的严格要求,支持端到端的传输服务等级。充分简化了网络层次,消除了功能上的重复性。易管理和操作,对资源和流量都采用分布式的方式进行管理,管理信息丰富。RPR还可以及时提供新服务和迅速对网络进行升级。与现有的技术,如SDH,以太网,ATM等相比,RPR无疑具有更强的优越性和更广的应用前景。   目前,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的先机。最具代表性的产品有Cisco的DPT/SRP,Nortel网络的InterWan,以及Luminous的PacketWave等。相应地,一些大的半导体生产厂商也推出或即将推出RPRMAC层芯片,比如Vitesse与Nortel合作,推出的支持GFP的RPR芯片VSC9129,Conexant推出了CX29950RingMaker环路处理单元。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。 四、结束语   RPR是一种新型的网络结构和技术,是应下一代MAN的要求而设计的。RPR一经提出,便受到各方面的青睐。然而,该技术还处于早期研究与探索阶段,相关的MAC和PHY还需进一步的标准化。但是由于其集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于一身,业界普遍对它的市场前景表示乐观。相信随着标准化工作的进一步开展和市场的进一步扩大,RPR必将成为满足新一代带宽IP MAN所采用的最佳技术之一。 摘自《电信网技术》



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