RPR技术介绍


RPR

RPR简介

RPR概述

RPRResilient Packet Ring,弹性分组环)是一种新型的MACMedia Access Control,媒体访问控制)协议,可运行于SONETSynchronous Optical Network,光同步网络)/SDHSynchronous Digital Hierarchy,同步数字体系)、DWDMDense Wavelength Division Multiplexing,密级波分复用)和以太网之上,为宽带IP城域网运营商提供灵活高效的组网方案。

RPR技术是为了在城域网中支持大容量的数据业务而设计的,具有以下特点:

l              物理层多样性

l              带宽利用率高

l              支持广播和组播

l              拓扑自动发现,支持节点的即插即用

l              快速保护机制,通过拓扑保护能够实现50ms内的故障自愈

l              通过支持带宽预留业务以及速率限制提供流量等级保证

l              公平的节点带宽分配

RPR环网结构

RPR采用逆向双环结构,数据沿环网在节点之间进行转发,如 1所示。

图 1 RPR环网结构示意图

 

l              0环:RPR双环中,数据帧发送方向为顺时针的称为0环,也称Outer Ring(外环)。

l              1环:RPR双环中,数据帧发送方向为逆时针的称为1环,也称Inner Ring(内环)。

l              节点(Station):RPR环网上的设备,负责接收和转发数据帧。

l              链路(Link):连接相邻节点的一段传输通道,相邻节点之间由方向相反的两条链路连接。

l              段(Span):RPR环网上两个相邻节点之间的链路,由方向相反的两条链路组成。

l              域(Domain):多个连续的段和这些段上的节点构成了域。

l              西向端口:在1环上发送数据帧、在0环上接收数据帧的物理端口。

l              东向端口:在0环上发送数据帧、在1环上接收数据帧的物理端口。

l              边(Edge):当段或和段相邻的节点出现故障时,段不能转发数据就成为边。

l              环状态:分为闭环和开环。不存在边的环为闭环,存在边的环为开环。

RPR数据操作

RPR环网中,节点与环配合完成数据操作,操作方式包括以下四种:

l              上环(Insert):节点把来自环网外的数据帧插入到RPR环网的数据流中;

l              下环(Copy):节点从RPR环网的数据流中接收数据帧,并将数据帧交给上层作相应处理;

l              过环(Transit):节点将途经本节点的数据帧转发到下一个节点;

l              剔除(Strip):节点不再往下转发途经本节点的数据帧,即终止数据帧在RPR环网上的转发。

各节点分别采用上述基本数据操作及其组合来提供对单播、广播、组播以及未知单播的支持。

1. 单播实现

图 2 RPR单播实现示意图

 

2所示,RPR对单播数据帧的转发方式如下:

(1)        对数据帧在源节点执行上环操作,将其插入0环或1环的数据流中;

(2)        在数据帧途径的每个中间节点,都对其执行过环操作;

(3)        当数据帧到达目的节点或其TTL值变为0时,对其执行下环和剔除操作。

可以看到,对于单播流量,RPR采取的是目的节点剔除方式,不同于传统环网技术的源节点剔除。目的节点剔除能够有效提高带宽的利用率,使得带宽的空间重用技术更高效。

2. 广播、组播和未知单播实现

图 3 RPR广播、组播和未知单播实现示意图

 

3所示,RPR对广播数据帧、组播数据帧和未知单播数据帧的转发方式都相同,具体如下:

(1)        对数据帧在源节点执行上环操作,将其插入0环或1环的数据流中;

(2)        在数据帧途径的每个节点,只要其TTL值不为0,就都对其执行数据过环和下环操作;

(3)        当数据帧返回到源节点或其TTL值变为0时,对其执行剔除操作。

拓扑发现

RPR通过拓扑发现来收集环网节点的数目、环状态、节点之间的排列顺序等信息,并生成拓扑数据库。当环网拓扑稳定后,对应的拓扑数据库不再变化。

1. 拓扑数据库

每个RPR节点都会维护一个拓扑数据库,其中保存着整个RPR环网的拓扑信息,是节点生成选环表的主要依据。拓扑数据库包含三个部分:

l              环网的拓扑信息,如:节点个数、环状态和可用带宽等。

l              本节点的拓扑信息,如:MAC地址、保护类型、节点保护状态、节点名称、本节点的拓扑信息校验和以及邻居节点的拓扑信息校验和等。

l              其它节点的拓扑信息,如:MAC地址、有效状态、可达状态、保护类型、节点索引、保留带宽以及节点名称等。

2. 拓扑发现过程

RPR的拓扑发现过程中,主要通过TPTopology Protection,拓扑保护)帧、ATDAttribute Discovery,属性发现)帧和TCTopology Checksum,拓扑校验和)帧来传播拓扑信息:

l              TP帧用来广播各节点的配置和状态信息,其它节点则根据收到的TP帧来更新自己的拓扑数据库,最后使得环上的每一个节点对环的拓扑信息都有一个一致的认识。

l              ATD帧用来传递节点的MAC地址、名称等属性信息,这些属性信息也会保存在拓扑数据库中。

l              TC帧用来在相邻节点间传递拓扑信息校验和,用于校验邻居节点和本节点的拓扑数据库是否匹配,以判断RPR环网拓扑是否稳定。

这三种帧都是周期性发送的,且周期长度都可以进行配置。其中,TP帧和TC帧有两种发送周期——快速发送周期和慢速发送周期:

l              当环上节点初始化,或者环上节点检测到拓扑发生变化时,将触发TP帧的快速发送,迅速将网络拓扑信息传遍整个网络。以快周期发送9TP帧后,再以慢周期发送。

l              当环网拓扑稳定并收敛后,将触发TC帧的快速发送,以快周期发送5TC帧后,再以慢周期发送。

l              无论拓扑情况如何,ATD帧都是按用户设置的周期定时发送。

故障响应方式

RPR故障自愈能力非常强,其保护机制可实现事件检测、快速自愈,以及在光纤或节点故障后业务快速恢复,从而使网络能够迅速检测到故障并作出适当反应,保证业务在50ms内可以快速恢复。RPR支持的故障响应方式有以下两种:

1. Passthrough

Passthrough方式主要用于节点故障。当节点检测到内部故障时,可以进入Passthrough状态,此时节点就类似于一个中继,本地不再接入任何的业务,到达该节点的任何数据帧都以透明方式直接转发,且该节点在环网的拓扑图中不可见,如 4所示的Station A

图 4 Passthrough方式示意图

 

 

2. 保护倒换

如果节点不再具有转发数据帧的能力,比如掉电或光纤断开等原因造成的故障,节点就需要进入保护倒换方式。保护倒换可分为WrappingSteering两种模式:

(1)        Wrapping模式

RPR环网上的某段链路或某个节点发生故障时,故障点临近的两个节点处自动环回,即把外环和内环连在一起,形成一个闭合单环。如 5所示,原来从Station BStation A0环上的流量,将在故障邻节点处环回到1环传输。

图 5 Wrapping模式示意图

 

Wrapping模式可以保证节点快速倒换,数据帧基本不会丢失,但比较浪费带宽。

(2)        Steering模式

RPR环网上的某段链路或某个节点发生故障时,故障点临近的两个节点首先更新自己的拓扑数据库,然后快速发送TP帧给RPR环网上的其它节点,其它节点根据收到的拓扑信息更新拓扑数据库。有了新的拓扑信息,节点只需要直接按新的拓扑发送数据帧即可。如 6所示,原来从Station AStation B0环上的流量,将从1环发送。

图 6 Steering模式示意图

 

Steering模式避免了带宽的浪费,但是由于需要重新收敛,恢复时间较长,可能会造成一些业务的中断及部分数据帧的丢失。

RPR的保护倒换包括六个优先级,按照优先级从高到低的顺序依次为:

l              FSForced Switch):强制倒换;

l              SFSignal Fail):信号失效,与当前物理状态相关;

l              SDSignal Degrade):信号衰减,和当前物理状态相关;

l              MSManual Switch):手工倒换;

l              WTRWait to Restore):等待恢复;

l              IDLE:空闲。

保护倒换发生的条件是保护请求,即只有环上节点发出保护请求时,RPR环才会进行保护倒换。保护请求的取值和优先级与保护倒换一致。其中,FSMS是手工配置的保护请求,SFSDWTR是自动保护请求。若多个保护请求同时发生,优先级较高的将被优先处理,譬如:

l              当节点发出MS保护请求时,若环上存在优先级更高的保护请求,MS保护请求将不被处理。

l              当由于链路故障引发SFSD等自动保护请求时,若当前链路已存在人工保护请求FS,由于FS保护请求的优先级比SFSD高,因此SFSD保护请求不能被立即执行,只有FS保护请求被清除后,SFSD保护请求才能被处理。

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