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以太环网解决方案

1、 介绍
在数据通信的二层网络中, 一般采用生成树(STP)协议来对网络的拓扑进行保护。STP协议族是由IEEE实现了标准化, 主要包括STP、 RSTP和MSTP等几种协议。STP最初创造的是目的是为了避免网络中形成环路, 出现广播风暴而导致网络不可用, 并没有对网络出现拓扑变化时候的业务收敛时间做出很高的要求。实践经验表明, 采用STP协议作为拓扑保护的网络, 业务收敛时间在几十秒的数量级; 后来的RSTP对STP机制进行了改进, 业务收敛时间在理想情况下能够控制在秒级左右; MSTP主要是RSTP的多实例化, 网络收敛时间与RSTP基本相同。
近几年, 随着以太网技术在企业LAN网络里面得到广泛应用的同时, 以太网技术开始在运营商城域网络发展; 特别是在数据, 语音, 视频等业务向IP融合的趋势下, 增强以太网本身的可靠性, 缩短网络的故障收敛时间, 对语音业务, 视频等业务提供满意的用户体验, 无论对运营商客户, 还是对于广大的企业用户, 都是一个根本的需求。
为了缩短网络故障收敛时间, H3C推出了革新性的以太环网技术——RRPP( Rapid Ring Protection Protocol, 快速环网保护协议) 。RRPP技术是一种专门应用于以太网环的链路层协议, 它在以太网环中能够防止数据环路引起的广播风暴, 当以太网环上链路或设备故障时, 能迅速切换到备份链路, 保证业务快速恢复。与STP协议相比, RRPP协议具有算法简单、 拓扑收敛速度快和收敛时间与环网上节点数无关等显著优势。
H3C基于RRPP的以太环网解决方案可对数据, 语音, 视频等业务做出快速的保护倒换, 协同高中低端交换机推出整体的环网解决方案, 为不同的应用场景提供不同的解决方案。
2、 技术应用背景
当前多数现有网络中采用星形或双归属组网模型, 多会存在缺乏有效保护和浪费网络资源等诸多问题, 如下图所示:
图1 城域网现网存在的问题

环网优化后的结果如下图所示:

图2 环网应用到城域网中的优势
环网拓扑下的网络由于节点间的光纤分别走不同的管道, 不会存在SRG的问题, 同时提供快速的保护倒换。H3C以太环网解决方案, 成功地解决现网存在的问题, 既节省用户建网成本, 又提高网络的可靠性, 满足不同应用场合的需求。
H3C以太环网解决方案主要应用于企业网和运营商两个市场; 一般的应用场景共同特点: 光纤资源紧缺, 核心设备端口资源紧张, 要求成本控制, 要求高可靠性。华为-3com针对这部分市场, 提出高性价比的、 简约的以太环网解决方案, 在不增加任何硬件成本的基础上提供网络的高可靠性。

3、 技术特色
以太环网解决方案中的RRPP是华为-3com提出针对环网拓扑架构的保护协议, 收敛速度快, 为网络提供高可靠保护; 除快速的业务保护以外, 以太环网解决方案是一个低成本的实现方案, 并不需要更换硬件, 能够在传统的Gigabit以太网口上实现快速业务保护。

4、 技术实现方案
以太环网解决方案的核心技术是RRPP环网技术, 下面的重点介绍该RRPP环网技术的基本实现机制:

4.1 RRPP基本概念

4.1.1 RRPP域( RRPP Domain)
RRPP域由整数表示的ID来标识, 一组配置了相同的域ID和控制VLAN, 而且相互连通的交换机群体构成一个RRPP域。一个RRPP域具有如下的组成要素:

RRPP环
一个RRPP环物理上对应一个环形连接的以太网拓扑, 一个RRPP域由彼此相交的多个RRPP环构成, 其中有一个为主环, 其它环为子环。相切环情况下能够都配置为一个主环; 一个RRPP域也能够只包含一个RRPP环。RRPP环的角色由用户经过配置决定。
RRPP控制VLAN
每个RRPP域能够具有两个控制VLAN, 分别叫做主控制VLAN和子控制VLAN。主环的协议报文在主控制VLAN中传播, 子环的协议报文在子控制VLAN中传播。

主节点
主节点是RRPP环上的主要决策和控制节点。每个RRPP环上必须有一个主节点, 而且只能有一个。主节点的环上端口分为主端口和从端口, 环完整的情况下, 一般阻断从端口。

传输节点
环上除主节点之外的其它节点都能够称为传输节点( 边缘节点和辅助边缘节点实际上是特殊的传输节点) 。一个RRPP环上能够有多个传输节点, 如下图所示:
图3 RRPP环网示意图
主端口和从端口

主节点和传输节点接入以太网环的两个端口中, 一个为主端口, 另一个为从端口, 端口的角色由用户的配置决定。

主节点的主端口和从端口在功能上是有区别的。主节点从其主端口发送环路状态探测报文即Hello报文, 如果能够从从端口收到该报文, 说明本节点所在RRPP环网完整, 因此需要阻塞从端口以防止数据环路; 相反如果在规定时间内收不到探测报文, 说明环网故障, 此时需要放开从端口以保证环上所有节点的正常通信。传输节点的主端口和从端口在功能上没有区别。端口的角色同样由用户的配置决定。

4.2 RRPP环( RRPP Ring)
4.2.1 RRPP基本原理

1、 RRPP协议基础
每个域上所有节点配置相同的RRPP域ID和控制VLAN

协议报文在控制VLAN中传播

2、 正常工作原理
RRPP环主要由一个主节点、 多个传输节点和控制VLAN构成, 主节点配置主端口和从端口, 正常工作时主节点周期性地从主端口发送Hello报文, 从端口一旦接收到自己发送Hello报文, 马上阻塞从端口。控制VLAN主要传输RRPP的控制报文, 有效保护控制报文。
图4 RRPP正常工作示意图
3. Polling机制
Polling机制是RRPP环的主节点主动检测环网健康状态的机制, 主节点周期性地从其主端口发送Hello报文, 依次经过各传输节点在环上传播。如果主节点的从端口能收到自己发送的Hello报文, 说明环网链路完整; 否则如果在规定时间内收不到Hello报文, 就认为环网发生链路故障。
处于故障状态的主节点从端口收到自己发送的Hello报文, 立即迁移到环恢复状态, 阻塞从端口并刷新转发表, 而且主端口发送刷新转发表的报文通知所有传输节点放开临时阻塞端口和刷新转发表。
4. 链路状态变化通知机制
链路状态变化通知机制是一种比Polling机制更快处理环网拓扑改变的机制, 这一机制的发起者是传输节点。传输节点总是在监测自己的端口链路状态, 一旦状态发生改变, 它就会经过发送通知报文把这种变化通知主节点, 然后由主节点来决定如何处理。如果检测到端口Down, 将会发送故障通知报文。主节点接收到该报文会马上放开从端口, 刷新本地转发表的同时发送报文通知其它节点刷新转发表。
图5 RRPP故障处理过程示意图
5、 故障恢复机制
环故障状态的主节点一般从端口接收不到自己发送的Hello报文; 故障节点的链路恢复也会进入临时阻塞状态, 但环的Hello报文能够经过该阻塞端口, 这样主节点会接收到自己发送的Hello 报文, 主节点认为环已经恢复正常, 马上阻塞从端口且刷新转发表, 并同时从主端口发送报文通知所有传输节点放开临时阻塞端口和刷新转发表, 传输节点接收到该报文后会马上放开临时阻赛端口且刷新转发表。

4.3 以太环网解决方案的优势
1、 高可靠
以太环网上任一链路或节点的发生故障时, 以太环网解决方案能保证链路倒换时间为50ms以内, 业务倒换时间在50-200ms之间, 而且提供对各种业务的快速保护倒换, 提高网络的可用性;

2、 低成本
H3C公司的RRPP技术并没有改变传统以太网的硬件, 所有正在网络中运行的中高端交换机都能够经过软件升级支持GE端口的RRPP特性, 而且华为-3Com公司会不断丰富支持RRPP技术的端口类型, 扩展这种低成本保护技术的使用范围;

3、 算法简单
以太环网的主节点负责整个环的收敛计算, 其它节点只是传输和响应更新报文, 简化了软件处理过程, 保障软件的健壮性;

4、 广适用
H3C以太环网解决方案业务保护时间与环网节点数目、 设备负荷、 网络所承载业务、 网络流量等因素无关; 环网节点数目无关: 在组建大规模环网时, RRPP技术依然能够保证50－200ms的倒换时间; 设备负载无关: 即设备运行复杂协议时, 如配置多种ACL规则、 作MPLS PE等情况下, 也不影响网络的收敛时间; 网络承载业务无关: 不论上层运行什么样的业务, 如语音、 视频等, RRPP技术都能够保证极短的切换时间; 网络流量无关: 在大流量的情况下也能够保证毫秒级的自愈保护时间, 在业务不断增长、 数据量不断加大的情况下, 以太环网技术依然能够保证业务的快速倒换。

5、 提供全系列交换机的整体的环网解决方案, 适用于不同的应用场合;
5.1 城域网应用场景:

图6 以太环网在城域网中的应用
如图所示为当前常见的城域网组网模式: 城域以太网中主要采用两级环网架构: 一级汇聚层, 主要是PE-AGG( PE汇聚设备) 之间经过RRPP环来构建, 实现快速切换; 另一级接入层, 主要是PE-AGG与UPE之间; 两级环网主要采用相切方式。接入PE挂接在汇聚的SPE上。
城域以太网构建一般有两种思路一个是大二层, PE-AGG到UPE都处于二层转发模式; 另一种就是MPLS到边缘, 所有设备都是L3 MPLS; 不论何种模式或建设思路, RRPP都能够提供低成本的快速保护倒换的高可靠性。

5.2 企业或园区网应用场景
图7 以太环网在企业网的应用

大型公司的园区一般分为四个部分, 生产区、 总部、 办公区、 研发区, 四个部分之间需要互通, 同时在网络中运行着研发的交互数据、 生产的ERP调度数据、 各种办公OA数据, 生产区的视频监控数据、 总部的行政审批电子流等各种数据。研发的交互数据如果出了问题可能很长一段时间的工作就完全浪费了, 生产资源的调度中断带来的是企业的直接损失, 因此需要更高可靠的网络技术, 而RRPP技术正好解决这样的问题, 将企业的各机构接入到了一个更加可靠的网络中, 保证了企业各种业务的不中断运行。
总结: H3C以太环网解决方案融合了以太网的优势, 提供高性价比的环网的快速保护能力, 在城域、 局域范围内提供了更加高品质的网络保证, 而且不但能够应用在网络核心, 还能够利用分层的架构来实现全覆盖和全网的保护能力, 同时结合MPLS VPN技术对网络、 业务提供更佳的解决方案, 为今后提供更多更重要的业务承载提供坚实的基础。