弹性分组环的实现方案
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[摘要] 研究了弹性分组环的实现方案，该方案利用网络处理器实现的弹性分组环，能在双环上同时传输数据，具有业务接入灵活、空间重用、支持QoS、易于管理等特点，同时利用IXP2400网络处理器的高性能和灵活性，使交换机能高效地进行IP数据交换，而且提高了RPR环网的带宽利用率。
[关键词] 弹性分组环 拓扑发现 网络处理器 实现
一、引言
弹性分组环(RPR)是当前光网络上传输数据包的一种优化技术，具有双环拓扑结构。它包括两个反方向环绕的单向环，两个单向环共享相同的环路径，但信号传输的方向相反， RPR能充分简化网络层次，避免ATM和SDH层的开销，提供空间复用技术和统计复用功能，保证带宽的高利用率，相对TDM网络可以提高带宽利用率3～4倍，本文对弹性分组环的实现方案进行了研究。
二、拓扑发现方法
弹性分组环的分层参考模型遵守开放系统互连(OSI)模型，并做了适当修改，以适应RPR的特殊需要。在RPR环结构中，每个节点均有前后两个相邻节点，拓扑结构简单，因此正常状态下，节点间无需任何关于拓扑更新的信息，只有当RPR环初始化、节点插入或取出、环路保护倒换等拓扑变化的情况下，RPR才执行拓扑发现协议。即环上各节点均知道环上其他节点的识别号以及相应的连接关系。每隔一段固定的时间或者当RPR光纤环在初始化过程中,以及光纤环加入或者删除节点时、某节点失效或光纤中断而引发环保护倒换时，环上的节点向单环或双环上发送拓扑发现分组来实现自动拓扑发现功能。其他节点接收到该拓扑发现分组后，把本节点的MAC地址以及节点状态(如是否处于倒换状态等)附在该分组后面，然后向下游节点转发。如果节点在倒换状态下，则分组被倒换到反向环上传输，当其他节点收到倒换的拓扑发现分组后，如果分组中的环标记和当前环标记不同时，不再进行附MAC操作。最后当发出拓扑发现分组的节点收到返回的分组时，把拓扑发现分组从环上剥离，同时根据分组中的信息计算更新本地的拓扑图。最终RPR环上每个节点详细掌握着网络的拓扑图和每条链路的状态。拓扑自动发现增加了环路的自愈能力，使得网络初始化配置变得极其简单，减小了人工配置带来的人为错误。
拓扑发现分四步实现：
1.启动拓扑发现。在全部小环上广播拓扑发现信息以及向相邻节点发送拓扑发现信息。
2.节点持续侦听在环上广播的拓扑发现。
3.侦听从相邻处传来的响应信息。
4.周期性向相邻节点发送响应信息。
三、空间重用和公平性算法
空间重用指在空间上没有重复的业务流，各业务流可以互不影响地利用各自的线路带宽。简单的说就是正常情况下数据在源节点和目标节点之间的最短弧上传输，并在同一时间内可以有多个节点相互通信，这样，多个节点可以同时收发分组，提高了环带的利用率，特别在环上节点数较多的情况下，带宽的利用率改善尤为明显。
为了大幅度提高数据业务传输的带宽利用率，RPR采服了下列四种带宽复用方式：
1.环上任一节点上多个LAN端口在入环时的统计复用和负载均衡过程中使用各节点能最大限度地利用入环带宽。
2.环上各个节点共享环上带宽的统计复用功能。
3.采用二层保护倒换机制，无需预留保护带宽。
4.采用目的地剥离的RPR MAC协议，实现传输带宽的空间再利用。
空间重用大大提高了环路的带宽利用率。假设环路有n个站点，各个站点随时都有包需要发送。目的站点均匀分布，流量也均匀分布。根据双环结构中最短路径规则，每个流的最大传输距离为n/2，平均传输距离为n/4，因此，在每个环上通过空间重用可以有4个站点同时发送数据，即双环的空间重用的带宽利用率是双环令牌环的4倍。
但是为了解决站点间的公平性问题，空间重用环中必须引入公平性算法机制。一般来讲，增大网络的吞吐量和保证公平性是不相容的，即增大吞吐量往往会导致不公平，而公平性算法往往又会降低网络吞吐量。实现带宽公平调度的核心是公平算法，其主要思想是：当某个节点的环流量超过了预定的阈值，该节点就认为上游节点发送的数据量太大，需要动态调配上游节点的带宽，于是从反向环传送一个公平算法控制帧，通告上游节点自己的公平速率；上游节点通过公平函数计算出本节点合理的带宽数值，并以这个带宽向下游节点发送业务，同时向上游节点通告。任何一种公平性的实现都是通过接入算法和控制信息协调实现的。典型的算法是由思科公司提出的SRP-fa算法。该算法属于基于拥塞控制的局部公平性算法。只有当出现拥塞时公平性算法才有效，并且只对与拥塞有关的节点进行流量控制。最大限度减小了对环路流的影响。其基本思想是：每个节点监督与它相邻的链路的利用情况，一旦发现拥塞，通过反向环向上游发送一个包含本地公平速率的公平帧。上游节点收到该帧后，根据公平帧的速率调整本地的流量。并将控制速率继续向上游传送。如果上游节点同样检测到拥塞，它发送的公平帧中包含的速率是收到的公平速率与本地公平速率中较小的一个。
四、RPR技术的实现
目前RPR的具体实现方式有3类：一是独立式的基于２层的RPR实现方式；二是基于多业务传送平台(MSTP)的RPR实现方式；三是基于路由器的单卡RPR实现方式。
1.独立式的基于２层的RPR实现方式
RPR设备是独立的２层设备，每个RPR设备都有10/100Mbit/s以太网接口，甚至是GE接口，通过这些接口可以接入各种类型的数据业务。若干个RPR设备通过RPR网络侧接口可以串成环路组成RPR保护环。这种方式很类似于基于SDH的多业务传送平台。主要适用于IP城域网的接入层和汇聚层，是目前最成熟的一种解决方式。有的厂家将多种协议标签交换(MPLS)技术、时钟同步技术、密集波分复用(DWDM)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业务的宽带多业务解决方案。RPR环所承载的物理层介质可以是裸光纤、波长、SDH通道。
相对于承载在裸光纤或波长的RPR而言，基于SDH的RPR的带宽利用率可能略低，但能充分保证语音业务传输的QoS并与现有的网络设备和交换机直接对接，因而更适于作为语音和数据混合传输的统一平台。而且基于SDH的RPR组网相当灵活，特别是对于业务比较分散、面积比较大的城域网，可以方便地利用已有的传输网资源组建RPR环。只需选择几个业务量比较集中、传输设备接入端口富裕的节点接入RPR设备，就可以实现一个覆盖面比较广的RPR环网，这对于业务的开展和网络运行维护都带来一定的方便。
2.基于多业务传送平台(MSTP)的单卡RPR实现方式
融合了RPR技术的MSTP通过将RPR功能集成在一块单板上，并将RPR单板插入SDH设备相应槽位，即可以对接入的Ethernet业务(基于802.3MAC帧)和纯粹的RPR业务(基于新型的802.17MAC帧)进行高效的处理，包括公平带宽处理、RPR环网保护、严格的用户隔离和真正的业务分级COS以及QoS保证等。在SDH环网中，RPR占用的SDH通道带宽可根据需要灵活配置，随着未来数据业务的不断增长，可在SDH网络中逐步增加分配给RPR的带宽，相应减少窄带语音等TDM业务带宽，无需更新设备即可实现网络应用的不断拓展。这种融合了RPR技术的 MSTP被称为最新一代MSTP技术。传统的基于以太环网技术的MSTP的不足之处在于：业务层环网上的每个MSTP设备的以太网处理卡需要对每个业务进行MAC地址查询，随着环路节点的增加，查询MAC地址表的速度下降，处理性能明显降低。另外以太环网无法保证环路各节点带宽的公平接入，即使采用端口速率限制机制，也不能成为全局性公平机制，不适应数据业务的突发性。而且基于RPR技术的MSTP还能实现用户端带宽以1Mbit/s甚至更小的带宽颗粒为步长进行带宽控制，运营商可以制定多种业务种类和营销策略。
3.基于路由器的单卡RPR实现方式
基于路由器的单卡RPR实现方式主要应用于IP城域网的核心层和汇聚层，是未来城域网业务不断增大时路由器组网的发展趋势。目前多数厂家都是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。这种实现方式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的环路保护倒换功能。
(1)基于网络处理器的路由器
网络处理器(network processor,NP)是一种可编程器件，它特定地应用于通信领域的各种任务，比如包处理、协议分析、路由查找、声音/数据的汇聚、防火墙、QoS等，网络处理器内部通常由若干个微码处理器和若干硬件协处理器组成，多个微码处理器并行处理，通过预先编制的微码来控制处理流程，而对于一些复杂的、标准的操作(如内存操作、路由表查找算法、QoS的拥塞控制算法、流量调度等)，则采用硬件协处理器来进一步提高处理性能，从而实现了业务灵活性和高性能的有机结合。协处理器的功能是把RPR协议转换为以太网协议，反之亦然。协议转换器定位于MAC和NP之间，检查从MAC接收到的数据包的包头，如果是控制包，就分发到LP，如果是数据包，包头将被去掉，去掉包头的包以以太网帧格式分发到NP。
路由器是通过转发数据包来实现网络互连的设备，可支持多个协议，在多个层次上转发数据包。用网络处理器构建路由器，实际上是利用网络处理器完成数据包的转发。在此选用Intel公司的IXP2400网络处理器实现路由器。在进行路由器的系统硬件结构设计时，通过2片IXP2400网络处理器(分别称之为上行IXP2400和下行IXP2400，两侧分别连接了外部网络和交换结构)，为数据包提供全双工的处理带宽。在外部网络， IXP2400通过接口卡与POS、ATM等网络接口，IXP2400通过交换接口芯片与交换结构接口。
(2)基于网络处理器的单卡RPR实现方案
基于网络处理器的单卡RPR实现方案如下图所示。控制面运行于通用CPU上，通过系统PCI总线对转发面进行配置和管理。转发面由2片IXP2400构成，是路由器的主体模块，完成对数据的处理转发。交换接口则用于连接2片IXP2400，完成2片IXP2400之间的数据交换。数据流从接口卡进入路由器(RPR接口卡使用专门处理RPR数据帧的PoS Framer/RPR MACIC芯片)，由接口外部网络进行RPR数据帧的接收和发送。首先判断二层数据帧的类型，如果是RPR格式，则送往RPR处理流程进行处理，获取下一跳ID；接着，RPR封装模块，在网络处理单元维护的RPR二层地址信息表中，以下一跳ID为索引，获取合适的二层地址，将数据封装成合适的RPR数据帧，最后由RPR接口卡将数据发送出去。
图 基于网络处理器的单卡RPR实现方案
五、结束语
本文提出了利用网络处理器实现RPR的设计方案，对RPR网络与以太网络之间IP数据交换机制进行了优化，并借助IXP2400网络处理器的高性能和灵活性，提高了RPR环网的带宽利用率。
参考文献：
[1]IEEE.IEEE Standard 802.17:Resilient Packet Ring[EB/OL].省略/17, August 2002
[2]董建军宋珍:RPR技术的实现方式[J].电信工程技术与标准化.2004;(7):29～31
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。