IEEE802.17
RPR 弹性分组环技术简介
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引言
弹性分组环RPR是一种基于高可扩展性和弹性技术的光纤环形网，其能有效地传送基于分组的业务流量。该技术适合于数据、语音以及视频应用。
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基本工作原理
弹性分组环RPR是一种数据优化网络，至少有两个相互反方向传送的光纤子环，环网上的节点共享带宽，不需要进行电路指配。利用公平控制算法环网上的各个节点能够自动地完成带宽协调。每个节点都有一个环形网络拓扑图，都能将数据发送到光纤子环上，送往目的节点。两个子环都可用于作为工作通道。为了防止光纤或节点故障发生时导致链路中断，利用保护算法来消除相应的故障段。
RPR定义了媒质接入控制MAC协议，环网上的所有发送节点都可以使用环网上的可用带宽。MAC协议还定义了节点如何应对媒质上出现的拥塞和直接冲突。最后，利用缓冲和优先分组技术MAC控制着分组接入媒质。
RPR
MAC支持3种业务类型：
*
类型A：承诺信息速率（CIR）业务。这种业务支持有保证的带宽，低等待时间/抵抖动应用。语音、视频、电路仿真应用都可使用这类业务；
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类型B：一种CIR业务，其抖动/等待时间要求低于类型A，但仍然有指标要求。企业等数据应用可使用该类业务；
*
类型C：尽力传送业务，节点负责协调接收公平共享的环网带宽容量。用户的互联网接入可使用这类业务。
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性能优点
弹性分组环网络有下列性能优点：
带宽有效性：两个子环都作为工作通道，大大节约了光纤资源。此外，还保留了当出现环网故障时作为备份通道的特性。利用在目的节点处分离单播分组的特点，RPR网络能实现“空间重用”或带宽倍增。空间重用技术增加了每个子环上同时“对话”的容量。RPR还具有发送多播分组的有效机制。与格形网拓扑结构不同，在格形网中，需要对分组进行多个复制以发送到多个通道中，而RPR节点能够共享一个分组。
业务：RPR具有多种类型的分组业务。新业务很容易添加到网络中。
易于管理：RPR提供即插即用，不需要用人工指配来设置环网上的新节点。利用拓扑发现和保护自动机理，RPR几乎不需要操作管理。
弹性：RPR网络能自动防止光纤或节点故障，保护倒换时间小于50ms。每个节点都提供两个到达目的节点的通道。
可扩展性：RPR网络规模很容易扩展，每个环网可以多达64个节点。利用拓扑发现、带宽管理、保护算法等功能能够在已有的网络中增加新节点，或从网络中移除节点。从终端用户的角度来看，带宽需求的变化可以快速实现，而不需要复杂的指配。
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IEEE802.17 RPR MAC标准
RPR解决方案的多种前标准的实现方案已经在市场上得到应用，然而由IEEE802.17工作组新近定义的RPR
MAC能在更大范围（芯片和系统）实现互操作，支持多厂家环境。基于标准的产品的可用性将给最终用户带来更大的好处。
该工作组成立于2001年12月，同年8月起草了标准的第一版草案。2.0版本是最新版本，并首次进入整个工作组投票表决。该标准还将进一步修改和补充，并进行再次投票表决，直到75％以上的成员同意。预计在2003年底前通过。
本文对标准的主要章节进行了归纳总结。
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概况（第一章）
本标准定义了新的MAC层，对物理层进行了规范。MAC数据通道、带宽管理、拓扑、保护以及OAM机理等的规范也包括在本标准内。本标准定义了工作在155Mb/s以及更高速率的MAC。
环网和MAC架构
环网操作
RPR网络是一个双向旋转的光纤环，环网上可以有多个节点。每个节点有一个L2
MAC地址。节点可以利用单播目的地址将分组发送给一个指定的节点，也可以利用多播目的地址发送给多个节点。
在发送一个单播分组时，根据源节点具有的拓扑图信息，由源节点确定使用哪个子环。一般使用最短跳计数通道。当分组到达目的节点时，目的节点负责将分组从环网中移除，因此带宽仅仅消耗在源节点和目的节点之间的通道上或跨段上。环网上的其它通道或跨段仍然是空闲的，可供其它站点和数据流使用。这一技术称为空间重用。
当发送一个多播分组时，源节点发送一个分组到一个或两个子环上。环网上的每个节点都只能有一次“看见”分组。每个节点都接收该分组，并转发给它的下游节点，直到该分组回到最初发送它的源节点，或达到跨段数门限则不再转发。
可以使用称为“宏帧”（帧长可达到9218个字节）的帧结构，这取决于在拓扑发现期间两个节点之间的协调情况。
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MAC帧结构（第八章）
IEEE802.17使用三种帧结构：
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数据：数据分组，包括“宏帧”（最大帧长为9218个字节）
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控制：控制消息，比如拓扑和保护
*
公平：公平控制消息，用于传送带宽要求
基本环网控制域
*
生存时间：8比特域，每经过一跳减少一次，以确保分组不会在环网上永无止境的“旋转”
*
Ring ID：用于确定一个帧在子环0还是在子环1上传送，1比特
*
公平许可：用于指示应对该帧进行公平算法处理，1比特
*
帧类型：用于指示是保留帧，还是控制帧、公平帧、数据帧，2比特
*
业务类型：用于指示是类型C，还是类型B、类型A，2比特
*
Wrap许可：用于指示该帧在保护期间可以被环回，1比特
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奇偶/保留：一个奇偶检验比特，当用于公平帧时作为奇偶校验使用，当用于数据和控制帧该比特被保留
扩展环网控制域
*
扩展帧：用于指示一个扩展的数据帧，1比特
*
泛洪：用于指示泛洪机理，2比特，00－无泛洪，01－单向泛洪，10－双向泛洪，11－保留
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经过源节点：用于指示环回的帧已经过源节点，1比特
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严格排序：当该比特被设置时，用于指示该帧应遵循严格的排序要求，1比特
*
保留比特：3个保留比特，设置为0
*
MAC结构（第五、第六章）
业务
IEEE802.17
MAC为用户提供多种业务：
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MAC数据通道：发送和接收数据分组
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MAC控制功能：传送环网工作状态
*
桥接功能：为环网上的本地节点提供L2中继业务
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非限制/受限制MAC业务：
*
分组丢失：一旦分组被发送到环网上，则分组就被传给目的节点
*
分组重排序：分组以相同的发送时的顺序到达
*
分组复制：网络不复制分组
MAC提供多种业务类型
MAC参考模型
MAC数据通道功能
接收逻辑
接收那些分组以及把分组发送到什么地方由MAC确定。可以将分组发送给客户层、控制子层、发送缓冲区。接收发往客户层或控制子层的多播分组和匹配的单播分组。多播和非匹配的单播被放在发送缓冲区中继续绕环网行进。双发送队列的实现将分组放入合适的队列。
发送逻辑
RPR
MAC先于未保留的分组业务发送来自于客户层的高优先级的和保留的分组业务。
客户层发送顺序为：
1.
类型A
2.
类型B
3.
类型C
单一队列
单一队列MAC的实现在环网空闲期间发送。主发送队列PTQ至少应能保持1～2帧，用于客户层完成发送而无需分取发送通道中的帧。类型B和类型C的分组业务的大流量发送接入时延启动公平算法请求更大的带宽。
单一队列发送顺序为：
1.
主发送队列中的帧
2.
控制帧
3.
从客户层来的帧
双队列
双队列实现有一个主发送队列PTQ和一个次发送队列STQ。PTQ仅用于高优先级业务。PTQ的大小与单一队列实现的相同。STQ是一个大的队列，能够处理许多帧。类型B和C帧可以临时存放于STQ中，而其它分组从客户层发送。
双队列发送顺序：
1.
主发送队列中的帧
2.
STQ中的帧（只有在STQ接近填充满时，否则STQ的优先级最低）
3.
控制帧
4.
客户层来的帧
5.
STQ中的帧
不允许STQ过载。当STQ几乎要填充满时，在发送客户源帧之前先发送STQ中的帧，同时启动公平算法请求更大的带宽。
子环选择
MAC或客户层可以选择用哪个子环进行数据发送。可以利用拓扑信息来选择子环和设置生存时间TTL。在环回或切换保护事件期间，可以对分组重新定向，使用另一个子环，从而避开故障段。
速率控制/业务整理
发送速率控制被放置于每个业务类型上。类型A和B业务整理确保带宽达到所要求的值。类型C业务根据由公平控制单元FCU所确定的公平速率来整理。
用令牌桶算法来整理类型A、B、C业务。整理的目的就是平滑每种类型业务的发送流量，防止某个类型的业务出现大突发量。
PHY协调子层
协调子层在MAC和物理层之间提供统一的接口。RPR可以有多种物理接口。为每个将它的I/O口翻译成与MAC相一致格式的PHY定义了分离的协调子层。
MAC控制功能
公平控制单元
公平控制单元FCU确保环网上的节点共享公平许可带宽。
保护控制单元
保护控制单元提供节点故障和跨段故障的保护。通过与环网上其它节点的通信来保持状态机和数据库。
拓扑控制单元
拓扑控制单元维持拓扑数据和状态机，与环网上的其它节点交换这些信息。
OAM控制单元
操作、管理、维护OAM控制单元提供配置功能和故障状态功能，包括单一队列实现和双队列实现之间的差别。
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物理接口（第七章，附录C，D）
除了802.17MAC，目前802.17工作组并不打算定义其它物理层。当然在实际中其它的物理层已得到应用，并得到认可。为了每个专门的物理接口和通用的RPR
MAC接口之间的适配，需要定义物理协调子层。本标准目前定义了SONET和以太网两种物理层。
SONET/SDH
针对SONET/SDH物理接口定义了两种协调子层。SONET/SDH协调子层SRS和GFP协调子层。SRS为RPR帧定义了如同HDLC一样的具有SONET/SDH净荷的封装，类似于POS（Packet
over SONET/SDH）封装。GFP协调子层GRS使用通用帧规程GFP作为封装，同时也规范了SPI L3（8比特和32比特）和SPI L4 Phase1和Phase2接口。
以太网
GE协调子层GERS定义了RPR MAC和GMII接口之间的一种接口。10GE协调子层XGERS定义了RPR
MAC和XGMII以及XAUI接口之间的接口。
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MAC公平控制（第九章）
每个802.17MAC有一个公平控制单元，其具有下列特征：
*
快速响应
* 高带宽
*
可扩展
*
带宽回收
*
基于源节点的加权公平控制
*
支持单节流和多节流客户（Support for single- and multi-choke clients）
*
稳定性
公平控制单元FCU为客户提供动态许可速率，客户层可利用该速率发送公平许可业务。环网上的节点根据环网上总的未承诺的可用带宽来调整此速率。
FCU功能
为了交换当前状态，802.17 FCU产生和接收公平控制消息。FCU产生消息，发布当前节点的使用情况，它们的公平速率等。FCU还接收公平消息，用这些消息来确定：
*
环网拥塞状态
*
本节点的许可速率
根据接收到的速率信息，FCU对MAC发送整理进行配置，以顺从带宽限制。
拥塞确定
当节点不能将更多的业务发送到环网上时或当未保留带宽业务的带宽超出限定时每个节点考虑自己的拥塞情况。对于双发送队列实现的情况，STQ有可能填满，并超过信令拥塞门限。对于类型B和C业务单队列实现可以承受大的接入时延，同时也启动拥塞通知。
公平速率确定
一个节点的公平速率是利用相邻节点的接收公平速率RFR并且将RFR与节点的本地公平速率LFR进行比较来计算的。当LFR超过RFR，节点假定其此刻占用了过多的带宽，并减小到LFR。在拥塞期间，节点接收较低的RFR值。一旦拥塞减轻，RFR值就增加到线速FLR。
每个节点都产生公平控制消息，用于指示其带宽要求和考虑环网拥塞状态。节点发布带宽值和公平消息的源地址。
其它公平特性
加权公平
加权公平允许节点根据算法而不是每个节点相同的带宽来确定接收带宽。例如，加权系数为1的节点其接收带宽是加权系数为2的节点的带宽的1/2。
多节流公平（Multi-Choke Fairness）
缺省MAC公平机理实现单节流点公平消息。与环网上最拥塞的节流点对应的源地址将被分发到所有的拥塞节点。FCU根据最拥塞的节流点的情况来设置节点的许可带宽。多节流允许分布一个以上的节流点的信息。这些消息由FCU产生，频繁程度小于单节流消息。FCU也能接收这些消息，但不作处理，只是直接传送给客户层。
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拓扑（第十章）
802.17 MAC有拓扑发现功能。拓扑消息从每个节点广播到环网上的其它节点。每个节点都创建一个拓扑图，包括位置、容量、其它节点的状况等信息。消息是周期性产生的，并周期性地检测本地状态的变化。
拓扑特性
*
节点连接及节点顺序
*
快速提供与整个环网一致的消息
*
独立工作，与主接点无关
*
支持动态增加/移除节点
工作运行
初始化
拓扑图仅包含有关本地节点的信息。本地节点接收其它节点的广播消息。本地节点也将其最新拓扑信息周期性地广播给其它节点，或当检测到变化时将变化后的拓扑信息广播给其它节点。
增加新的节点
新节点增加到环网中后，自己完成初始化，并向环网广播它的拓扑消息。一旦检测到变化，环网上的其它节点就开始发送他们的拓扑消息。节点利用只传送了一跳的消息来发现与自己最为密切的邻居。
故障
当节点被移除或出现光纤段故障时，靠近故障的节点将状态记录到它们的拓扑图中。然后发送保护消息。所有节点对自己的拓扑图更新以反映连接的变化。
拓扑发现消息格式
拓扑发现消息包括发送该消息的节点的消息。节点的能力被发布：
*
宏：能够接收宏帧（MTU >1500, 最大可到9218个字节）
*
环回：节点能够执行环回保护
另外还包括扩展拓扑消息的类型长度值域TLV中执行的扩展功能。TLV帧提供灵活的格式，格式中包含了详细的有关节点功能的信息。
每个值都有一个定义的类型。每个消息的长度都被规定。参数值如下所示。
类型长度值TLV入口：
*
加权：节点公平加权（每个子环）
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总预留：总的理论上的带宽预留（每个子环）
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多播组：安排到一个节点的多播组表
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邻居地址：相邻邻居的地址（每个子环）
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单一预留带宽：每一跳预留的带宽（每个子环）
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设备制造商：设备制造商的ID和专门的信息
11 保护（第十一章，附录K）
802.17 MAC保护协议为业务提供50ms的光纤和节点故障的保护时间。保护机理也支持环网上节点的动态移除和增加。节点之间相互交换保护消息，以便相互告知环网情况。定义了切换和环回机理。环网上的所有节点必须使用相同的保护机理。
保护特性
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单播业务和多播业务的50ms保护
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支持切换和环回保护机理
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每个节点独立工作，不需要主节点
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环网可增加更多的节点
切换
缺省的保护机理是切换。发生保护事件后，将故障位置通知所有节点。由发送节点选择避开故障段的子环，直到发送节点收到故障已经清除的通知。到达故障点的分组被分出。广播分组在两个子环上传送，在故障段之前将TTL设置为每个子环上的正确的节点数。
环回
一种可选择的保护机理。在保护事件发生后，临近故障的节点将业务环回到另一个子环。通知环网上的其它节点，最后切换他们的分组离开故障点。
保护体系
保护机理具有处理同时发生的故障的能力。更为严重的故障的处理优先于较低故障。比如，在信号失效出现时由先前信号劣化事件导致的保护将退出。