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RPR技术白皮书

华为技术有限公司
Huawei Technologies Co., Ltd.

RPR技术白皮书 　　　　　　

目 录
1 前言 1
2 技术介绍 2
2.1 结构描述 2
2.2 数据操作 4
2.3 帧格式 5
2.4 MAC实体结构 6
2.5 队列技术 9
2.6 公平算法 11
2.7 故障自愈 13
2.8 拓扑发现 14
2.9 管理维护 15
3 典型应用 15
3.1 运营商IP城域网应用 15
3.2 区域网应用 17
4 结束语 18
4.1 RPR相关国际标准化组织 18
4.2 RPR标准化进程 19
附录A 参考资料 20
附录B 缩略语 20

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RPR技术白皮书 　　　　　

RPR技术白皮书
摘 要：RPR（弹性分组环）是一套用来建立IP环网的国际标准，提供一种高效率、高可靠性的城域网组网技术。与以往的其他环网技术相比，具有许多独到的优势。本文档主要介绍了一下RPR技术的基本实现方式、特点以及RPR特性的一些基本应用。
关键词：RPR、IP环网、城域网
1 前言
随着宽带价值链及宽带业务运营模式的逐渐建立，宽带业务正逐渐成为各运营商拓展业务领域，增加收入、增强竞争力的焦点。 据专家预测未来5年全网的数据业务量将会超过话音业务量，业务总量可能达到几十倍的增长，IP业务将占据主导地位。
传统城域网的解决方案主要是SDH或以太网方式，这两种方案都各有明显的优缺点：
SDH环网的优点是高可靠性，满足用户的通信要求；能够提供保护和快速恢复机制；但是其点到点、电路交换的设计目标也为它带来了诸多缺点：1）带宽在节点间点到点的链路中固定分配并保留；2）带宽不能根据网络中流量的实际情况而改变，不利于带宽的高效利用；3）广播和组播报文将分成多个单播完成，浪费带宽；4）通常为实现保护机制，50% 的带宽将保留，未能提供灵活的选择机制。
以太网技术以其成本低、简洁、易扩展、以及便于IP 包的传输和处理等特点，但它在规模、端到端业务建立、质量保证、可靠性等方面还存在不少需要克服的难题。
RPR（Resilient Packet Ring）弹性分组数据环技术集IP的智能化、以太网的经济性和光纤环网的高带宽效率、可靠性于一体，为宽带IP城域网运营商提供了一个良好的组网方案。RPR技术使得运营商在城域网内以低成本提供电信级的服务成为可能，在提供类似SDH级网络可靠性的同时降低了传送费用。RPR有别与传统MAC最吸引人的特点是具有电信级的可靠性，使其不仅仅只是局限于处理面向数据的业务传送需求，同时可以形成处理多业务传送的综合传输解决方案。
可以这样说，RPR是IP技术与光网络技术直接融合的产物，它源于客户对IP业务发展的需求，顺应最新的技术潮流，为IP城域网的建设带来了一套低成本、高品质的解决方案。
2 技术介绍
2.1 结构描述
与SDH拓扑结构类似，RPR为互逆双环拓扑结构，环上的每段光路工作在同一速率上。不同的是，RPR的双环都能够传送数据，两个环被分别称为0环（Ringlet0）和1环（Ringlet1）。

RPR 0环的数据传送方向为顺时针方向，1环的数据传送方向为逆时针方向。
每个RPR节点(station)都采用了一个以太网中用到的48位MAC地址作为地址标识，因此从RPR节点设备链路层来看，这两对收发的物理光接口只是一个链路层接口；从网络层来看，也只需要分配一个接口IP地址。
两个相邻RPR节点之间链路称为段(span)，多个连续的段和其上的节点构成域(domain)。
就每个节点来看，其分组交换结构与传统分组交换结构有很大变化。这里我们先回顾一下传统分组交换结构，如下图所示：

在传统分组交换结构中，节点接收分组报文后，需要穿越节点内部的背板总线或交换网板，经过队列调度，才从出口发送出去。由于节点内部的背板总线或交换网板需要对所有接口进行统一的处理，因此需要用到大量队列。同时由于要贯穿节点内部处理和交换单元，因此存在较大的延时和抖动。而且由于接口之间没有直接对应，链路的带宽利用效率也成问题。这种方式就好比城市公路交通，有许多十字路口，都需要红绿灯进行调度管理，容易造成交通堵塞。
而在RPR结构中，就能够很好地避免以上问题。

这个结构类似城市的环形公路，环路内部各站都能直通，基本上不用红绿灯，效率更高。一个RPR节点具有一个MAC实体和两个物理层实体。物理层实体与链路关联。MAC实体包含一个MAC控制实体和2个MAC业务链路实体，并称之为接入点，每个接入点与每个环路相关联。物理层实体根据环路方向分为东向物理层和西向物理层。这里东向或西向是约定节点处在RPR北侧为基准的。东向物理层的“发送口”与西向物理层的“接收口”通过MAC实体连接在一起，构成RPR的0环；同样，东向物理层的“接收口”与西向物理层的“发送口”相连，构成RPR的1环。
2.2 数据操作
节点与环配合，采用分组ADM式数据交换，完成各种数据操作。常用的基本数据操作包括：
l 上环(insert)：节点设备把从其他接口转发过来的报文插入到RPR环的数据流中；
l 下环(copy)：节点设备从RPR环的数据流中接收数据，交给节点上层作相应处理；
l 过环(transit)：将途经本节点的数据流继续转发到下一个节点；
l 剔除(strip)：使途经本节点的数据不再往下转发。
这里对于过环的数据操作，与SDH ADM设备的处理方式很相似，即过环数据流不需要设备上层处理，这样一来，设备处理性能大大提高。这种数据分组的ADM式交换体系很容易支撑各种高速链路接口。
对于单播、组播、广播流量，各节点分别采用这些基本数据操作及其组合来予以实现。
下面是单播的实现示意图：

在源节点处，采用上环操作，使数据承载到0环或1环中。目的节点执行数据下环和数据剔除操作。而中间节点只执行数据过环操作。
值得注意的是，对于单播流量，RPR采取的是目的节点剥离的方式，这一点不同于传统环网技术所采用的源节点剥离。目的节点剥离能够有效提高带宽利用率，使得带宽的空间重用技术更高效。

对于组播和广播流量，由于有多个目的节点，所以采用的数据传送机制于单播有所不同。下面是广播业务的一种实现方式：

这种方式为0环广播。其他方式还包括0环广播、双环循环广播等。
2.3 帧格式
RPR数据帧格式如下：

除了环控制字结体现RPR特色外，其余字段与以太帧格式很类似。通常情况下RPR帧的最大传送长度(MTU)为1616字节，超长帧的MTU为9216。
在环控制字节中，包括了众多的控制内容，如选环信息、公平带宽分配选项、帧类型、业务级别、故障切换方式、广播标志等等，提供了主动的性能监测、故障监测等各种功能，充分保证环操作的丰富、灵活和高效，满足运营网络对环网技术的高标准要求。
2.4 MAC实体结构
对于RPR节点来说，MAC实体是最为关键的部分。MAC实体一方面需要与上层进行数据和控制的交换，同时也要很好地与各种物理接口配合协同工作，毫无疑问，需要一个灵活高效的分层模型。
下图是MAC分层参考模型。从总体上看，分为了业务层、MAC层和物理层三个层面，业务层与MAC层之间是MAC业务接口，MAC层与物理层之间是物理业务接口。此外，这三个层面都有管理接口与MAC管理层进行配合。

MAC实体中包含一个MAC控制子层和两个MAC数据通道子层。两个MAC数据通道分别负责1环和0环的数据交换。MAC控制实体从这两个数据通道中收发数据帧，并且通过MAC业务接口与MAC客户端之间进行控制和数据的交互。这个结构如下图所示：

有了这个结构，多个节点相互连接起来可以形成一个完整的端到端的MAC业务处理过程。这里举个一个最简单的例子，有三个RPR节点，假定一个数据流从节点S1发起，穿越节点S2，终结于节点S3，整个数据流程如下图所示。这里可以看出，MAC控制实体只在需要与MAC客户端发生关系的时候才起作用，而对于中间节点，则MAC控制实体基本上不用处理。对于单播来说，就意味着只有数据流的源节点和目的节点才需要启用MAC控制实体对数据进行处理。在正常情况下，对于同一个数据流，各节点都启用相同的数据通道来进行连接，要么都采用0环数据通道，要么都采用1环数据通道，这样能够更好地保证业务连贯性。

MAC控制实体包含数据和控制这两个平面的功能，包括公平控制、保护、拓扑发现、子环选择、运行管理维护以及数据封装/拆封等重要功能，如下图所示：

MAC数据通道与各自子环数据传送直接挂钩，包括四个方面的功能：1）流量要整形(shaping)，使其能够有序地进入共享的环介质；2）在源节点时，数据帧要开路(staging)；在过环节点时，数据帧要排队(queuing)；3）要选择数据帧递送到本地客户端或控制子层；4）要选择数据帧从环上剔除。

2.5 队列技术
RPR在对于过环的流量进行转发处理时，有两种队列转发模式：存储转发模式和直通模式。存储转发模式实现起来简单通用，而直通模式则能够进一步提高效率。存储转发模式是基础，必须要要求支持。即便是采用直通模式的时候，仍然有可能用到存储转发模式，例如直通队列被临时阻塞，就需要转入存储转发模式。
根据RPR业务的分组ADM式交换方式，RPR MAC具有上环缓存队列和过环缓存队列。
RPR节点具有3个上环缓存队列：A队列、B队列和C队列，分别对应A、B、C三个数据业务等级，提供不同的队列调度优先级。RPR把要上载的流量分为三个等级：级别A、级别B和级别C。级别A用于低时延/严格抖动的高优先级流量，提供最低的端到端延时、抖动，具有承诺信息速率定义(CIR)；级别B用于承诺信息速率(CIR)和突发信息速率(EIR)的中等优先级流量，其中对于CIR必须保证一定的带宽，以及端到端的延时和抖动，而对于EIR则不需保证；级别C用于尽力传送的低优先级普通流量，没有带宽定义。
参照下面两图，RPR环路MAC的每个业务通路（对于每个环）可以有一个过环队列，也可以有两个过环队列－PTQ(主过环队列)和STQ(次过环队列)。过环的Class A业务通过PTQ缓存，过环的Class B和Class C业务通过STQ缓存。
RPR MAC仲裁机制对上环和过环业务的优先级顺序是：过环PTQ、上环A、过环STQ、上环B、上环C。

上图是单过环队列的示意图，所有类型的过环流量全部在同一个队列中进行排队调度。

这个图是双过环队列的情形，其中A级流量在主过环队列PTQ中排队，B级和C级流量在次过环队列STQ中排队。也就是说，对于双过环队列方式的RPR，RPR环路对高优先业务和低优先业务采用单独的缓存队列，采用严格优先级队列的方式进行交换，即无论在何种情况下RPR环路MAC仲裁机制都会优先处理高等级的业务，低优先级的业务不会影响高优先级的业务的实时交换。
过环队列类似城市环型公路的车道：单队列即为单车道，所有车辆都在单车道中行进；双队列好比双车道，轿车走快车道，卡车走慢车道。很显然，从技术性能上看，双队列方式明显要优于单队列方式，A级流量的排队调度不受B、C级流量的影响，可以有效地保证高优先级、低时延的业务。不过，RPR仍然把单过环队列方式作为可选方式，这是出于降低成本方面的考虑。由于单队列方式不需要对A级和B、C级流量分开进行排队处理，因此硬件实现上要容易得多，成本上也会有大幅度节约。对于全部是简单数据业务，对性能的考虑不是很重要的网络，为了节省成本，可以采用单过环队列方式。但是，对于运营商的IP城域网、骨干网，由于要承载多种业务，包括高品质的业务，因此必须采用双过环队列方式；对于大型教育网、大型企业网等网络，往往也要承载IP话音、视频等一些业务，有比较高的性能需求，因此也建议采用双过环队列方式。
华为的RPR实现用的是双过环队列方式，充分支持高优先业务和低优先业务的划分原则，可以提供实时业务。测试表明，华为公司RPR环的多个节点之间的时延仅为数十微秒，满足实时业务对网络的要求。
华为公司RPR方案对IP话音、IP视频、流媒体等各种业务提供高品质的保证，是运营商级别的RPR技术，适用于各种运营商网络、大型教育网/校园网、大型政务网以及各种专网。
2.6 公平算法
RPR采用共享带宽方式实现各节点对带宽资源的利用。当数据流量较小的情况下，RPR可以满足所有节点流量上载的需求。但是当流量较大的时候，往往会出现链路过载、流量拥塞的情况，流量对链路带宽占用需求不能得到完全满足，在这种情况下，有些节点可以会利用自身位置优势(近水楼台先得月)或时间优势(先入为主)过多地霸占带宽，影响其他节点对带宽的享用。为了保证在拥塞或超载等情况下各节点能够公平地享用带宽，RPR为此提供专门的公平算法，实现带宽的公平共享和调度。
RPR的公平算法是一种分布式的公平算法，节点间通过控制报文传递公平算法所需的各项信息，包括允许速率、建议速率、策略指示等。公平算法包括流量统计和策略处理以及处理中的多个阶段，最终实现流量公平分配。
带宽公平和拥塞控制机制属于RPR数据链路层MAC控制子层部分的功能。RPR公平算法只适用于对带宽需要进行争用的业务，即对EIR业务和尽力传送业务起作用。
在公平控制单元内实现的公平算法协议具有以下的功能：
l 检测拥塞的发生和消除；
l 发送和接收RPR节点之间的公平控制消息；
l 根据不同服务级别对环路带宽提供访问控制，采用等值或加权的公平算法来控制环路总带宽的使用；
l 0环和1环分别提供独立的带宽公平操作，把环上任意两个节点间的所有带宽作为全局资源分配给用户；
l 每个节点可以根据服务等级、环路带宽的使用情况控制向环上转发数据包的速度，保证每个节点都获得公平的环路带宽分配；
l 针对同一环路的带宽公平控制帧与相关联的数据流分别在不同的子环上流动，且流动方向相反。
下面以一个具体实例介绍公平算法处理过程。如下图，RPR环中有A、B、C、D四个节点，RPR链路带宽为2.5Gbps，流量通过0环传送。

首先CB节点分别发送1000Mbps流量至节点，在C－D段共享带宽，C－D段链路消耗的带宽为2Gbps，无拥塞。
接下来A节点也注入1000Mbps流量发送至D节点，C－D段流量要达到3Gbps，超过RPR链路带宽极限值2.5Gbps，C－D段出现拥塞。
根据公平算法，C节点本地计算，立即将本地上载的流量降为500Mbps，同时通过1环反向发送控制报文给B，传递拥塞和公平算法信息。
B节点收到控制报文后，也立即降低本地上载的流量，根据公平算法计算值，C、B两节点的上载流量都调整为750Mbps。同时B节点继续向上游A节点传送公平算法控制报文。
A节点收到控制报文后也作相应处理。这样依次下来最后A、B、C三个节点的上载流量都调整为833Mbps，公平享用带宽。
在这个案例中的流量都是要求绝对公平的流量。RPR还支持对带宽的独占以及加权的公平方式，即各节点上载的流量值未必均等。RPR为了避免Head-of - line blocking 而支持multi-choke 算法，公平算法更加可靠；建议速率(advertise rate)实现机制，使数值调整更加平滑，网络流量不会出现大的动荡。
2.7 故障自愈
RPR采用了SDH的环形结构，同时也继承了一个特大特点，就是故障自愈能力非常强，能够实现50ms时间内的故障保护切换。下面是链路故障时的保护情况，在故障链路两端的节点内部把0环和1环连接在一起，重新形成一个新的环网。

对于环上正在传送的数据流量，存在两种保护方式：绕回(wrap)保护方式和抄近(steering,也有称为源路由的)保护方式。这里以下图为例加以说明：

左图是故障前的正常数据流，A节点到D节点，走0环，路径为A－B－C－D；
中图为故障后绕回保护方式，故障发生后，在故障链路两端的节点上通过光路环回，数据路径也在此环回，总的路径为A－B－A－F－E－D－C－D；
右图为故障后抄近保护方式，从A节点到D节点的数据流量改抄近道，走另外一个环(这里是1环)到达目的节点，路径为A－F－E－D。
绕回方式的优点是故障切换的恢复时间非常短(50ms以内)，只可能丢失极少量的报文，不会造成业务中断的情况，问题是占用带宽较多。
抄近方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。
华为公司同时支持绕回和抄近这两种方式，并且结合这两种方式各自的优点，取长补短，配合应用，采取先用绕回方式，后转用抄近方式的保护流程。当RPR链路故障出现时，立即启动绕回方式进行保护，不中断业务；当各节点的各种状态数据(拓扑信息等)重新收敛并稳定下来后，切换到抄近方式，以便节省带宽。这样可以到达最佳的保护和利用效果。
2.8 拓扑发现
RPR支持拓扑自动发现。在保护消息或拓扑消息报文中包含拓扑信息，这些拓扑信息在环网上广播。可能的拓扑结构包括全环回结构和链状结构(当部分链路故障时)。
拓扑自动发现对于链路故障时的保护有帮助，同时也给网络扩展提供很好的支持，能够支持节点级别的即插即用，即在环网上新增一个节点或者删除一个节点时，都不需要手工配置数据。
2.9 管理维护
前面提到，在RPR帧结构中包含了大量用于性能管理、故障管理、配置管理的各种选项参数，为RPR的运行维护管理(OAM)奠定了良好的基础。RPR还通过特殊的控制帧来实施RPR层的故障监测、定位与隔离。
RPR是IEEE 802.17小组制定的技术标准，结合了大量设备供应商、芯片供应商和运营商的意见和建议，经过大量研究和论证，广泛达成共识，形成的标准技术。
3 典型应用
RPR主要在城域网骨干和接入方面应用，同时也可以在分散的政务网、企业网和校园网中应用，还可应用于IDC和ISP之中。RPR环网的主要目标是建立低成本高性能的IP城域网，作为城域网中IP业务的承载网络，由于其具有较好的QOS特性和带宽保证，因此也可应用于接入网和VPN业务。
下面介绍IP环网的主要应用：
3.1 运营商IP城域网应用
在运营商IP城域网中，需要为个人用户和大客户提供包括宽带上网、专线接入、数据互连、VPN等在内的各种业务，为此需要组建一个高品质运营网络。RPR提供一套高品质低成本的解决方案。相对以往的纯以太城域网，RPR城域网由于固有的保护特性具有更高的可靠性，同时RPR的带宽公平分配能力能够大大提升光纤带宽资源的利用率，避免以往城域网星形结构下部分主干链路成为瓶颈导致其他链路带宽利用率低下的问题，此外也提供很灵活的扩展性。
对于中小型城市，可以在城域网中构建一个RPR环，其中一个或两个节点作为核心和出口向上连接到骨干网中，其他节点分布在城市的重要分局，负责该区域范围内的以太流量接入/汇聚；或者可以提供E1、E3、POS、ATM等各种接口，因此也兼作专线接入路由器，接入各种高低速专线用户；或者在RPR上建立MPLS链路，将路由器设备作为MPLS VPN PE设备，接入各种VPN用户。

中小型IP城域网RPR解决方案
对于大中型IP城域网来说，核心和汇聚的节点数量多，网络规模大，往往采用典型的核心层、汇聚层和接入层三层结构，因此往往考虑多个RPR配合组网。在核心层构建一个带宽为2.5G/10G的核心RPR环，在汇聚层构建多个带宽为2.5G的边缘RPR环。核心环与边缘环之间可以采用相交或相切的方式连接起来。相交连接具备两个连接点，能够提供更高的可靠性，建议尽量采用相交的方式组网。

大中型IP城域网RPR解决方案
3.2 区域网应用
RPR 可为具有分散机构和分支的区域网，如政务网、企业网和校园网提供组建核心层的功能，提供各办公机构用户、数据中心、Internet等连接，提供对现有FDDI 环网的一种逻辑优化，并保留自愈环的特性。应用如下图所示：

RPR在区域网的应用
采用RPR环网可以把IP承载到裸光纤上，而不用建设专门的传输设备，就能提供基于IP的数据、话音和视频在内多种业务的承载网络平台。
4 结束语
在RPR国际标准化之前业界存在多种厂商私有的分组包传输环网技术，这些分组技术从各自厂家角度出发来考虑，以较简单的方式实现，无疑成熟性上有所欠缺，而且这些技术体制之间互不兼容，最终增加了网络的成本。因此，制定一个统一的、全面的、成熟的分组环技术标准成为业界的普遍要求，为此，RPR技术出现，成立了IEEE 802.17小组，制定了RPR标准，现在RPR标准已经确定。
4.1 RPR相关国际标准化组织
IEEE设立802.17工作组的主要目标就是制订RPR技术标准。此工作组成立于2000年12月，目前有100多个成员代表30多个公司参加，包括芯片制造商，设备制造商和运营商等。华为公司是这个工作组的主要成员之一。
RPR Alliance（RPR联盟），目标为支持IEEE802.17制定的RPR技术标准，促进业界认可和接受RPR技术，加速RPR产品和服务采用、测试和证明多个设备商的互通性，培育用户。当前有十多家大的厂商参与，华为公司也是该组织的成员。
4.2 RPR标准化进程
2000年12月，成立IEEE802.17标准工作组。2002年2月，发布P802.17 Draft0.1，即推出RPR标准的第一个草案，开始了讨论修订。下图是RPR的发展进程示意图：

在2004年发布了D3.3，通过投票，2004年6月已经成为正式标准，并且对外发布。
RPR由于其低成本，高带宽利用率，高可靠性，即有SONET网络的50ms的保护倒换、高可靠性，又具有Ethernet的包交换的高带宽使用率，是当前城域网建设中最主要的技术方案之一。所以，它的技术标准的制定得到了大量芯片制造商，设备制造商和运营商的支持和参与。其中华为公司作为RPR的支持者，积极参与了标准的制定、讨论和推广工作。
IEEE802.17的RPR标准已经被整个业界所接受和认可，得到了大量厂商和运营商的支持。同时，由于RPR技术标准为最新制定，且有大量厂商参与，技术也更加完善和成熟。RPR必将形成一个技术成熟，众多厂商支持，得到广泛应用的国际标准环网技术。

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附录A 参考资料
IEEE802.17 Resilient packet ring (RPR) access method and physical layer specifications
附录B 缩略语
缩略语
英文全名
中文解释

ADM
Add/Drop Multiplexer
分插复用器
CIR
Committed Information Rate
承诺信息速率
EIR
Excess Information Rate
突发信息速率
FCS
Frame Check Sequence
帧检查序列
HEX
Header Error Check
帧头错误检查
IP
Internet Protocol
互联网协议
MAC
Medium Access Control
介质访问控制
MPLS
Multiprotocol Label Switching
多协议标签交换
MTU
Maximum Transfer Unit
最大传输单元
PE
Provider Edge
运营商边缘
PTQ
Primary Transit Queue
主过环队列
RPR
Resilient Packet Ring
弹性分组环
SDH
Synchronous Digital Hierarchy
同步数字系列
STQ
Secondary Transit Queue
次过环队列
TTL
Time To Live
生存时间
VPN
Virtual Private Network
虚拟专用网络

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