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ERPS技术白皮书

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2.5.1 单环检测及故障恢复机制·· 7

2.5.2 单环多实例负载分担·· 9

2.6 多环工作原理·· 9

2.6.1 多环检测及故障恢复机制·· 9

3.6 M-LAG组网下的ERPS功能·· 15

1 概述

1.1 产生背景

在二层以太网络中为了进行链路备份，提高网络可靠性，通常会使用冗余链路（例如：环形网络）。然而，使用冗余链路可能引起环路问题，导致广播风暴以及其他不稳定现象，影响用户通信质量，甚至导致通信中断。

STP协议是一种常用的环路保护机制，但其收敛时间长且受网络拓扑影响，不能满足高传输质量的数据要求。为了解决这一问题，ITU-T组织提出ERPS（Ethernet Ring Protection Switching，以太环网保护倒换）技术，该技术主要用于缩短环网的收敛时间、消除网络规模的影响，并提高以太网环的可靠性和稳定性。

1.2 技术优点

· 拓扑收敛速度快：ERPS协议的收敛速度非常快，通常低于50ms，当检测到环路中的链路故障或故障恢复时，可以快速切换链路，从而最大程度上减少网络中断时间，确保网络的连续性和可靠性。

· 支持多环拓扑：ERPS技术支持多环拓扑结构，这意味着当一个环拓扑结构发生变化时，其他环不会受到影响，从而确保了数据传输的稳定性和网络的可靠性。多环拓扑结构的支持使得网络设计可以更加复杂和灵活，适应不同的网络规模和业务需求。

· 负载分担：支持环网的负载分担，充分利用了物理链路的带宽，优化了网络资源的利用，提高了带宽利用率。

· 高兼容性：ERPS是ITU-T组织提出的标准协议，这使得用户能够在现有网络基础设施上直接应用ERPS技术，无需大规模更换设备或改造网络。现有的设备可以通过软件升级或配置变更来支持ERPS，节约了升级成本并简化了网络设计。

· 简化网络管理：相比于更为复杂的STP配置，ERPS的配置和管理相对简单直观，这为网络管理员降低了管理复杂性和运维成本。

2 ERPS技术实现

2.1 概念介绍

一个环形连接的以太网网络拓扑称为一个ERPS环。ERPS环分为主环和子环，ERPS环缺省为主环，也可手工配置ERPS环为子环。一个ERPS环可以由单个主环构成，也可以由多个环网构成，在多个环网中可以有多个主环和多个子环。如图1，Device A、Device B、Device C、Device D四个节点所围成的封闭环路为主环Major ring。子环Subring是由Device C与Device E、Device E与Device F、Device F与Device D这三段链路所构成，是个不封闭环。

2.1.2 ERPS实例

ERPS组网中一个环可以支持多个实例，每个实例都是一个逻辑环。每个实例中有自己的协议通道和数据通道，以及Owner节点；每个实例作为一个独立的协议实体，维护各自的状态和数据。

不同环ID的报文通过目的MAC地址来区分（目的MAC地址的最后一个字节表示环ID）；具有相同环ID报文，通过其携带的VLAN ID来区分其所属的ERPS实例，即报文中的环ID和VLAN ID唯一确定一个实例。

通过在同一个环网上配置多个ERPS实例，不同ERPS实例发送不同VLAN的流量，实现不同VLAN的数据流量在该环网中的拓扑不同，从而达到负载分担的目的。

2.1.3 控制VLAN

控制VLAN用来传递ERPS协议报文。每个ERPS实例都有自己的控制VLAN。

2.1.4 保护VLAN

保护VLAN用来传输数据报文。每个ERPS实例都有自己的保护VLAN。

2.1.5 节点角色

ERPS环上的每台设备都称为一个节点。节点角色由用户的配置来决定，分为下列几种：

· Owner节点：主节点，负责阻塞和放开本节点上位于RPL上的端口，防止形成环路，从而进行链路倒换。Owner节点和Neighbor节点之间使用RPL（Ring Protection Link，环保护链路）。如图1，Device A与Device B、Device E与Device F间的链路就是RPL。

· Neighbor节点：邻居节点，RPL上和Owner节点相连的节点，协同Owner节点阻塞和放开本节点上位于RPL上的端口，进行链路倒换。

· Interconnection节点：互联节点，多环模型中连接多个环的节点，互联节点属于子环，主环无互联节点。在子环互联节点之间的链路的协议报文上送模式中，子环的协议报文在互联节点终结，数据报文不被终结。

· Normal节点：普通节点，除了上述介绍的三种节点之外的所有节点都为Normal节点。Normal节点负责接收和转发链路中的协议报文和数据报文。

每个节点上都有两种成员端口port0和port1，这两种端口在功能上没有区别，都用于ERPS环上协议报文和数据报文的传输。

如图1，在主环上Device A是Owner节点，Device B是Neighbor节点，在子环上Device E是Owner节点，Device F是Neighbor节点。Device C和Device D是Interconnection节点。

2.1.6 端口类型

ERPS环成员端口类型由用户的配置来决定，分为以下三种：

· RPL端口：RPL两端的端口。环网健康状态下，RPL端口处于阻塞状态。

· Interconnection端口：互联节点端口是负责连接子环和主环的端口。

· Normal端口：Normal端口为缺省端口类型，可以接收和转发链路中的协议报文和数据报文，不具备特殊功能。

如图1所示，Device A、Device B、Device E和Device F上的端口Port A1、Port B1、Port E1和Port F1为RPL端口。Device C和Device D上的端口Port C3和Port D3为Interconnection端口。其余端口为Normal端口。

2.2 ERPS协议报文

R-APS（Ring Automatic Protection Switching，环网自动保护倒换）报文是ERPS的协议报文。

2.2.1 R-APS报文格式

图2 R-APS报文格式

R-APS报文各字段的含义如表1。

表1 R-APS报文各字段

字段	长度	说明
MEL	3bits	R-APS报文级别，协议提供了R-APS报文级别的设置功能。节点不处理R-APS报文级别比自己大的报文。同一环上同一实例内的节点R-APS报文级别必须相同
Version	5bits	ERPS协议版本号，目前为0x01
OpCode	8bits	标识该报文是R-APS报文，固定值0x28
Flags	8bits	固定值0x00
TLV Offset	8bits	固定值0x20，表示报文中的TLV的偏移量
Request/State	4bits	表示R-APS报文类型： · 1101：FS（Forced Switch） RAPS · 1110：Flush报文 · 1011：SF（Signal Failed） RAPS · 0111：MS（Manual Switch） RAPS · 0000：NR（No Request） RAPS · 其他：保留字段
Sub-code	4bits	目前取值为全0
Status	8bits	表示R-APS报文的状态信息： · RB（RPL Blocked），1bit：RB=1表示RPL链路被阻塞；RB=0表示RPL链路未阻塞。非Owner节点无此状态信息，表示为0 · DNF（Do Not Flush），1bit：DNF=1表示收到当前信息不刷新MAC地址表项；DNF=0表示收到当前信息刷新MAC地址表项 · BPR（Blocked Port Reference），1bit：该字段为0表示阻塞port0，该字段为1表示port1。如果是子环的互联节点发送的R-APS报文，该字段为0 · Status Reserved：保留字段，5bit
Node ID	48bits	表示节点设备的MAC地址
Reserved	192bits	保留字段

2.2.2 R-APS报文类型

R-APS报文各字段的含义如表2。

表2 R-APS报文类型及其作用

报文类型	说明
(NR, RB)（No Request, RPL Block，链路恢复，RPL阻塞）报文	由Owner节点在Idle状态下发送，通知其它节点RPL端口被阻塞。其它节点收到(NR, RB)报文后放开自身的无故障端口，更新各自MAC地址表项。链路稳定在Idle状态下时，Owner节点周期性发送(NR, RB)报文
NR（No Request，链路恢复）报文	当链路故障恢复后，由恢复端口所在节点发送，Owner节点收到NR报文后启动WTR定时器，在恢复端口所在节点收到(NR, RB)报文后停止发送NR报文
SF（Signal Fail，信号失败）报文	当链路出现信号收发失败时，由故障端口所在节点发送，Owner和Neighbor节点收到SF报文后，放开各自的RPL端口。故障未消除前，故障端口所在节点周期性发送SF报文
MS（Manual Switch，手工倒换）报文	由配置MS模式的节点发送，配置MS模式的端口被阻塞，其它节点收到MS报文后放开自身无故障端口，更新各自MAC地址表项。链路在MS状态下，MS报文周期性发送
FS（Forced Switch，强制倒换）报文	由配置FS模式的节点发送，配置FS模式的端口被阻塞，其它节点收到FS报文后放开自身所有端口，更新各自MAC地址表项。链路在FS状态下，FS报文周期性发送
Flush（泛洪）报文	如果子环拓扑有变化，互联节点以广播形式发送Flush报文通知主环刷新MAC地址表项

· 主环和子环的协议报文只能在自己的环内传输，子环上除Flush报文以外的其它协议报文在互联节点被终结。

· 子环的数据报文可以透传至主环。

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2.3 ERPS协议状态

ERPS定义了以下六种状态：

· Init状态：环端口不完整时（非互联节点的端口数量小于2或互联节点的端口数量小于1），处于Init状态。

· Idle状态：环初始化过后进入到稳定状态，当Owner节点进入Idle状态后，其它节点随之进入Idle状态。其中，Owner节点和Neighbor节点的RPL端口为阻塞状态，即RPL不通；Owner节点定时发送(NR, RB)报文。

· Protection状态：当环网某段链路出现故障，环路经过保护倒换，最终稳定到的状态。Owner节点和Neighbor节点的RPL端口放开，即RPL放开，保证整个环网仍然是通的。当链路中某个节点进入Protection状态后，其它节点随之进入Protection状态。

· MS状态：MS状态下可以手动倒换流量转发路径。当对链路中某个节点进行MS操作后，其它节点随之进入MS状态。

· FS状态：FS状态下可以强制倒换流量转发路径。当对链路中某个节点进行FS操作后，其它节点随之进入FS状态。

· Pending状态：Pending状态是一个不稳定的状态，是各状态在进行跳转时的一个过渡状态。

环路正常时，处于Idle状态；链路发生故障后，处于Proctection状态。

2.4 ERPS定时器

1. Hold-off定时器

该定时器在端口检测到链路故障时启动，延迟故障上报的速度。当链路出现故障后，等待Hold-off超时后，如果故障依然存在，再上报。从而给服务层提供修复链路的机会，避免不必要的故障上报。该定时器的时长会影响链路故障上报的速度，影响故障发生时链路的倒换性能。

2. Guard定时器

该定时器在端口检测到链路恢复时启动，用于防止环网上转发延时导致的原R-APS报文残留对网络造成不必要的震荡。在此定时器超时前，接口不再处理所有R-APS报文。该定时器对多点故障时的链路恢复性能有影响。

3. WTR定时器

回切模式下，该定时器在Owner节点在Protection状态收到NR报文时启动，用于防止环网上存在间歇性故障链路导致网络频繁震荡。在此定时器超时前，RPL保持转发，故障恢复点维持临时阻塞，期间，如果Owner节点收到SF报文，说明环网中还存在故障链路，该定时器直接关闭，RPL仍然保持转发。否则，该定时器超时后，Owner节点阻塞RPL端口，发送(NR, RB)报文通知故障恢复节点，放开临时阻塞的端口，同时刷新MAC地址表项。

4. WTB定时器

回切模式下，该定时器在Owner节点在MS或者FS状态收到NR报文时启动，用于防止环网上的RPL端口由于网络震荡而反复被阻塞、放开。在此定时器超时前，RPL保持转发，故障节点发送NR报文。期间，如果Owner节点再次收到SF报文，说明环网中还存在故障链路，该定时器直接关闭，RPL仍然保持转发。否则，该定时器超时后，Owner节点阻塞RPL，发送(NR, RB)报文通知临时阻塞点放开，同时刷新MAC地址表项。

2.5 单环工作原理

当RPL端口处于阻塞状态时：

· 在主环中，不允许转发ERPS协议报文和数据报文。

· 在子环中，仅允许转发ERPS协议报文，不允许转发数据报文。

2.5.1 单环检测及故障恢复机制

1. 环网健康检测及处理机制

如图3所示，环网健康检测及处理机制的具体过程如下：

(1) Owner节点以5s的间隔，周期性地向其他节点发送(NR, RB)报文。

(2) 当Normal节点收到(NR, RB)报文后，会将此报文转发至相邻节点。

(3) 当所有节点收到(NR, RB)报文后，表示环网处于健康状态。

环网处于健康状态时，RPL端口处于阻塞状态，其他端口可以正常转发数据流量。

图3 健康状态下的ERPS环

2. 环网故障检测及处理机制

当链路中的节点发现自己任何一个属于ERPS环的端口down时，都会阻塞故障端口、刷新MAC地址表项并立刻发送SF报文通知链路上其它节点发生了故障，其它节点在收到此报文后放开非故障阻塞端口，并刷新MAC地址表项。如图4所示，环网故障检测及处理机制的具体过程如下：

(1) 当Device C和Device D检测到链路故障时，会阻塞故障端口、刷新MAC地址表项，并立即向外连续发送3个SF报文，然后以5s的间隔，周期性地发送SF报文。

(2) 当Normal节点收到SF报文后，会刷新MAC地址表项，并将此报文转发至相邻节点。

(3) 当Owner节点和Neighbor节点收到该报文后，放开RPL端口，并刷新MAC地址表项。

图4 链路故障处理过程示意图

3. 环网故障恢复检测及处理机制

当故障链路恢复后，先阻塞之前处于故障状态的端口，启动Guard定时器并发送NR报文通知Owner节点故障链路已恢复。Owner节点在收到NR报文后，启动WTR定时器，如果定时器在超时前，没有收到SF报文，则当定时器超时后，Owner节点阻塞RPL端口，并向外周期性的发送(NR, RB)报文；故障恢复节点在收到(NR, RB)报文后放开临时阻塞的故障恢复端口；Neighbor节点收到(NR, RB)报文后阻塞RPL端口，链路恢复。如图5所示，环网故障恢复检测及处理机制的具体过程如下：

(1) 当Device C和Device D检测到它们之间的链路恢复后，临时阻塞之前处于故障状态的端口，分别启动Guard定时器并发送NR报文。

(2) 当Normal节点收到NR报文后，会将此报文转发至相邻节点。

(3) Device A（Owner节点）收到NR报文后，启动WTR定时器，定时器超时之后，阻塞RPL端口，并向外发送(NR, RB)报文。

(4) Device C和Device D收到(NR, RB)报文报文之后，放开临时阻塞的故障恢复端口。

(5) Device B（Neighbor节点）在收到(NR, RB)报文后阻塞RPL端口。

(6) 链路恢复到发生故障前的状态。

图5 链路恢复处理过程示意图

Owner节点在链路的恢复处理中，有如下两种方式。

· 回切模式（Revertive behaviour）：Owner节点在故障消除收到NR报文后，会启动WTR/WTB定时器。在定时器超时之前，如果Owner节点没有收到SF报文，就倒换端口状态，阻塞RPL端口，清除MAC地址表项，发送(NR, RB)报文，其它节点放开非故障的阻塞端口，清除各自MAC地址表项。定时器超时后，倒换回Idle状态。

· 非回切模式（Non-revertive behaviour）：Owner收到NR报文后，不执行任何动作，保持之前设置的端口状态。

2.5.2 单环多实例负载分担

在同一个环网中，如果同时存在多个VLAN的数据流量，可以在同一个环网上配置多个ERPS实例，不同ERPS实例转发不同VLAN（称之为保护VLAN）的流量，实现不同VLAN的数据流量在该环网中有不同的转发路径，从而达到负载分担的目的。

图6 单环多实例负载分担组网

如图6所示，Instance 1和Instance 2为ERPS一个环内配置的两个实例，两个实例的RPL不同，Device A和Device B之间的链路为Instance 1的RPL，Device A为Instance 1的Owner节点；Device C和Device D之间的链路为Instance 2的RPL，Decive C为Instance 2的Owner节点。通过配置，不同的实例RPL阻塞不同的VLAN，从而实现单环的负载分担。

2.6 多环工作原理

当RPL端口处于阻塞状态时：

· 在主环中，不允许转发ERPS协议报文和数据报文。

· 在子环中，仅允许转发ERPS协议报文，不允许转发数据报文。