摘 要：弹性分组环(Resilient Packet Ring)技术是主要结合了ＳＯＮＥＴ／ＳＤＨ和以太网的优点而形成的一种基于分组交换的网络技术，主要目标是应用于城域网。本文从讨论ＳＯＮＥＴ／ＳＤＨ和以太网技术的优缺点中引出弹性分组环的出现背景、分析了RPR的技术特点和实现方法以及对将来应用前景的展望。
关键词：弹性分组环；城域网； MAC协议；空间重用
1 引言
现有的电路交换传输系统虽然经过不断的改进和优化以能达到很高的吞吐率和带宽利用率，但电路交换在本质上是浪费带宽的，而且与增长越来越迅速的IP数据业务天生就是格格不入。因此，有理由相信基于分组交换的传输技术将在城域网中成为重要的替代方案。让我们首先来分析一下SONET/SDH和以太网用于城域网中的优缺点，以此引出弹性分组环技术的出现背景。
SONET/SDH构建城域网时一般配置为双光纤环结构，其中一个环工作，沿一个方向传送信号；另一个环备用。如果工作环断开，就用备用环沿反方向传送信号。这种瞬间的倒换是ＳＯＮＥＴ／ＳＤＨ的主要特点之一，它能在严格时延的要求下保住话音连接。然而SONET主要是为传统面向电路交换的业务（如话音）的点到点通信而设计的，虽然它能通过IP OVER SDH这样的方案来承载点到点的IP数据业务，但其缺点还是很明显的。首先， SONET环上节点是依靠TDM（时分复用）实现点对点的逻辑连接，每一条逻辑连接线路的每一段都分配了固定的带宽，当该线路的某一段处于空闲状态的时候，这个带宽就闲置不用，而不能提供给其他业务数据流。特别地，当将SONET/SDH环配置成全互连的网状网络时，更加造成带宽资源的低利用率。其次，因为SONET/SDH的工作方式为一个环工作，另一个环备用（总带宽的50%）以便保护切换，方法虽好，但实在太浪费带宽。另外，SONET/SDH虽也支持多播通信，但由于SONET/SDH是点对点结构，进行多播通信时，必须为每一目的节点分配一条线路，这样就会导致多播通信分组的多个副本通过环，造成带宽浪费。还有一点需要特别提出，在SONET/SDH中创建和配置一条点到点的电路交换逻辑链路是非常麻烦的，中间有很多工作要做，包括确定物理端口号和配置这一链路上所有节点等很烦琐的步骤，故要想获得如DS1和DS3这种等级的传输业务通常需要六星期到六个月的漫长时间。
那么，为什么不使用吉位以太网来构筑城域网？以太网已经从最处的10M bps、100Mbps发展到1Gbps,而且10Gbps的标准化也正在进行之中。工作模式由半双工发展成全双工,特别是交换技术的引入，以使以太网从共享介质方式转变成为独享的交换工作方式。而且，以太网的灵活性、低成本、易用性以及对传送分组数据时带宽的有效利用、再加上它优良的可扩充升级性和简便的业务配置能力都是非常具有吸引力的地方。但以太网始终是为点对点和网状拓扑而设计的，因而不能充分利用城域网中环形拓扑结构的优点。第一，不能象SONET一样有一个快速保护切换机制。第二，由于数据帧在每个节点上进行交换，因此不能保证通过环中多个以太网交换机时所产生的时延和抖动，缺乏支持确定的和有保证的服务水平协议的能力。第三，缺乏全网范围内的QoS控制而无法实现对边缘到边缘QoS的支持。第四，在共享环中带宽时，以太网能提供线路级别的公平性，但不能实现全局的公平性策略。也就是说，以太网交换机只是将输出端口的带宽公平地分配给所有输入端口以此实现局部的公平性。
因此，要想建设一个可扩充的城域网络来提供公用网络基础设施所需的可恢复能力、高性能和有保证的业务，城域网首先必须有一个基于分组交换的网络结构而且能将SONET/SDH的恢复能力和有保证的性能与以太网对数据友好的特性结合起来。弹性分组环就是在这种背景中应运而生。

2 弹性分组环（RPR）的网络体系结构
弹性分组环是一种基于分组交换的新型的网络结构和技术，它在拓扑结构上和SONET/SDH一致，采用双光纤环配置，环中由分组交换节点组成，相邻节点通过一对光纤连接。但ＲＰＲ在任何时间双环都同时使用，外环沿一个固定方向传输数据，内环作反方向传输。因为在一个共享媒介上传输分组最有效的是由MAC层的协议来处理，故RPR针对网状拓扑结构制定了独立的MAC层协议来解决城域网中带宽的瓶颈问题,且能提供下一代接入网所要求的恢复能力、有保证的服务和可管理能力。目前此MAC层协议的相关标准正在由IEEE 802.17工作组制定，其正式的标准可能将在2003年3月出台。RPR的网络体系结构可用上面的图1来描述。
从图1中可看出，RPR只是制定了MAC层的相关标准。它允许RPR运营商根据不同的业务需要提供不同种类和不同等级的服务、支持CoS（Class of Service）协商，对等级高的服务能提供QoS保障，支持多种协议数据的传输。而且，它的MAC层和物理层是独立的，可以在标准的以太网物理层、SONET/SDH、DWDM传输上运行。
3 弹性分组环的MAC层和技术特点
第一，和IEEE802的制定的所有MAC子层一样，提供以帧（Frame）为基础的无连接的服务，既每个帧都带上发送方与接受方的地址，加上用户数据作为一个独立的单元在网中传输。第二，定义一些特殊的帧作为控制和管理帧，如进行拓扑自动发现、自动保护切换和管理带宽的公平使用以之达到最大利用率等。第三，在帧头中加进TTL（Time To Live） 字段，当帧通过每一节点时使之减一，如环中一直没有节点将其接收，减到0时由当前节点将其从环中取出丢弃，以免发生错误时，帧在环中陷入死循环浪费系统资源。第四，在帧头中加进PRI（Priority）字段,为不同的业务和用户数据提供不同的等级服务，并赋予相对应的发送优先级。其中，控制和管理帧具有最高的发送优先级，其次为传统的电信TDM业务。这样，RPR就能对整个网络进行及时有效的控制和管理，并且可以传送具有严格的时延、抖动和保护实时性业务。第五，对帧头和数据净荷部分进行了单独的校验。当传送的是无保护类等级的数据时，只对帧头进行校验，只有当传送的是需保护类等级的数据时才进行双重校验，这样可大大加快数据转发的速度。第六，在帧中加 进PT（Payload Type）字段以区分在净荷区装载的不同协议数据，如IP、IPX、MPLS、MPEG、TDM CES（Circuit emulated services）、ATM以及Ethernet等。下面我们就进一步来讨论RPR中所采用的一些具体技术。
3.1 空间重用（spatial reuse）技术
这是RPR技术的主要特征，即空间的再利用能力，应用在环形的拓扑结构中增加环的传输效率。它容许数据分组在发送点沿着内环或外双（这根据环网络当时的拓扑和链路状态而定）传送，当到达目的地时接收节点把单播数据分组从环上剥离下来并停止转发。这样，环上其他段的带宽可以被其他分组重新利用。这和以前基于环状拓扑的令牌环网、光纤分布数字接口（FDDI）有很大不同，它们都是由源节点将发出的数据分组回收。
3.2 拓扑的自动发现技术
当RPR环最先初始化时，整个网络进入到自动拓扑发现模式，环中每个节点都用拓扑发现控制帧向网络中所有其它节点广播它们各自与邻居节点的连接情况和线路状况，这很像一个使用OSPF协议的路由器将它自己域中的连接状况和距离向量传送给其它路由器。然后，网络中每个节点根据这些信息独立的计算得到整个网络的拓扑结构图和环中每两个节点之间线路质量情况的状态信息表。因而，现在每个节点都知道在环的两个方向上到达另外节点需要的跨段数和每一段的线路质量情况。这样，当开始传输数据时，每个节点都能根据已获得的信息迅速而正确的决定应该在哪个方向（外环或内环）上传输或转发数据，以取得最高的带宽利用率。
一旦有新的节点加入到环中或自动保护切换事件发生时，整个网络又将进入到自动拓扑发现模式，重复上面所诉的步骤进行网络的拓扑结构图和线路质量状态信息表的升级，从而
让RPR工作在一种“可见”的状态中大大提高了数据传输的效率和质量。这是弹性分组环QoS 保障的基础，后面要陈述的RPR的保护切换机制也是基于这种工作状态的“可见”性。
3.3 基于不同等级业务的自动保护切换机制
RPR具有快速的网络恢复能力，对数据的保护倒换时间小于50ms，类似SDH中的自动保护倒换，但又和传统的时分复用的SDH不同，RPR不需要额外的备份带宽。RPR的自动保护切换机制可从全局和局部两方面来进行概述。如图2所示，从局部来讲，当某一节点或某段线路发生故障时，它的两侧的邻居节点迅速将自己的内环和外环进行连接（环回），首先根据业务等级将被保护的数据流在内环和外环之间倒换，然后再将保护级别低的和无保护的业务倒换。同时，向其它节点广播故障信息，其它节点再收到此故障信息后，也迅速将需通过故障点的被保护数据变更传输方向（绕开）以避开故障点（小于50毫秒）。此时，自动保护切换事件发生，进入到自动拓扑发现模式。
从全局来讲，因为环中的所有节点通过自动拓扑发现模式都即时更新了它们的网络拓扑结构图和线路质量状态信息表，故每个节点可以迅速地根据新拓扑结构和线路质量状态进行数据传送的重新路由选择。这样，整个网络的弹性恢复能力从全局上得到极大提高，不仅可以根据业务等级重点迅速恢复被保护的数据，而且也可以快速恢复保护级别低的和无保护的业务数据。通过这种基于不同等级业务的自动保护切换机制，RPR可以实现多等级可靠的QoS服务。

3.4 带宽分配的全局性公平策略
Token Ring(令牌环)和FDDI（Fiber Distributed Data Interface）通过发送令牌来控制对媒介的访问，和它们不同，RPR中的每个节点都使用一种分布式的传输控制算法。这样，RPR就能将环中的整个带宽作为全局资源来公平分配。让我们大概来看一下它的实现方法。
可以从两方面来实现这种全局资源的公平分配。第一，全局公平，每个节点通过控制从邻居节点来的需转发的数据量和当前节点要发送的数据量的比率r来公平地享有环中的带宽，以免带宽被某一点大量占用而造成其它节点被饿死。第二，局部优化，它的主要目的是充分利用环中没被使用的带宽以让网络中的节点能发送比限制更多的数据。具体做法是RPR环中的每个节点通过一些周期复位的计数器监视自己发送和转发数据分组的数目，以此为基础通过一定的算法计算出对线路带宽的使用率，然后用控制帧周期性地或有必要时（如发生拥塞时）向它的邻居以及其它节点广播。用这种反馈机制能让环中的节点知道整个网络的可承载容量以便调整向网络中注入数据的速率——既能发更多的数据以提高带宽利用率，也能暂缓发送以减少拥塞。例如，环中D节点为INTERNET入口点，接入速率为2GB。现A节点想发送数据通过A→B→C→D→INTERNET，如果环中这一段线路的带宽没被使用，那么，A节点可以根据自己的需要自由地发送数据（不被r限制，比如说2GBps）。但现在如果B也准备以500Mbps为速率发送数据到INTERNET，B节点会发控制帧将自己对资源的使用情况通知A，A节点会根据信息自动地限制发送的数据量(调整到1.5GBps)。更进一步，现在A，B，C，D四个点都想以2GBps的速率发送数据到INTERNET，此时，每个节点都会被r所限制公平使用带宽。（每个500Mbps）。在这种情况下，由于以太网交换机只是将输出端口的带宽公平地分配给所有输入端口而不能做到全局公平分配，故D和C分别能得到1Gbps和500Mbps的速率，而B和A只能有250Mbps。
3.5 广播和组播
SONET/SDH在进行广播和组播传送时需要发出多个副本，在RPR中这是不必要的既只需发出一个数据包副本即可达到目的。因为RPR是分组交换网，实现这一点很容易。当数据包从源点发出后，环中其它点将其接受（如是给自己的留下否则丢弃）并继续转发，最后由源点从环中剥离下来并停止转发。
3.6 简单的业务提供
RPR系统提供了一个比较简单的服务模型。环作为一个公共的传输媒介，所有的节点共享环上的所有带宽，每个节点对自己可以利用的带宽是动态可见的，因此不需要一个点到点、连接到连接的承载计划和流量工程（如SONET/SDH），网络运营者可以轻松地控制网络流量和指定业务所需的服务质量。并且，RPR网络具有弹性分配业务的优胜，网络运营商可以为用户灵活地提供多种带宽的服务，如可以从1M升级到2M、5M、10M或更宽的带宽。
4 结束语
弹性分组环技术把SONET/SDH的高可靠性、快速恢复能力和对TDM业务的良好支持与以太网的低成本、较高的带宽利用率以及简单灵活的服务管理结合在一起利用其独立的MAC层构筑了一种高效优良的城域网络。由于RPR的产生，将会促进一批新业务的出现，这些业务在价格和带宽效率上是以电路为核心的解决方案所无法比拟的。随着IEEE 802.17标准化工作的进行，RPR一定会成为创建下一代高速光纤城域网的首选技术。

参 考 文 献
[1] A White Paper by the Resilient Packet Ring Alliance，“An Introduction to Resilient Packet Ring Technology” October 2001
[2] A White Paper by the Resilient Packet Ring Alliance，“Positioning RPR in the Technology Universe”
[3] The IEEE 802.17 RPR Draft Standard Framework
[4] The LAN/MAN Standards Committee of the IEEE Computer Society.“Draft Standard for Resilient Packet Ring Access Method & Physical Layer Specifications”
[5] A White Paper by the Luminous Networks, Inc.“Resilient Packet Transport(RPT) for Metropolitan Area Networks” September 2001
[6] A White Paper by the Cisco Systems, Inc.“Dynamic Packet Transport Technology and Applications Overview” 2001
[7] IETF Network working group, RFC 2892：The Cisco SRP MAC Layer Protocol，August 2000