（电磁场与微波技术专业论文）基于弹性分组环网络公平算法的研究.pdf

摘要 由i e e e 8 0 2 1 7 工作组制定的弹性分组环( r p r ) 标准是一种应用于城域骨干 网的新的拓扑技术。制定这一标准的目的是实现较高的带宽利用率、理想的空间 重用和公平的带宽分配。目前，弹性分组环技术还处于研究与探索阶段，吸引了 国内外众多科研院所的兴趣，其中关键技术之一是能够设计一种带宽公平分配算 法来实现上述目标。 本文针对弹性分组环网络技术进行了研究和探讨。论文首先介绍了弹性分组 环的分层参考模型、环结构及操作、m a c 实体结构及帧结构，并对其拓扑发现机 制、保护倒换机制等关键技术进行了详细的描述。其次，深入的讨论了弹性分组 环网络的带宽公平分配算法，介绍了几种具有代表性的公平算法，并对两种模式 的运作机制给与了具体的分析和性能比较。同时，研究了公平参考模型r i a s 的 数学模型定义，并进行了理论分析。最后，提出了一种能满足r p r 协议要求的新 的公平算法，并通过仿真对其性能进行了检验。 本文首次将二分法引入到公平算法的设计中来，二分法是有限集合中收敛速 度最快的方法，算法简单，时间和空间复杂度小。公平算法采用二分法的思想， 通过对公平速率的逐次逼近来实现带宽的动态分配，更适用于分布式的网络环 境，收敛速度更快。此算法在网络链路上以i a 流( 入口汇聚流) 间的公平为目标， 保证了环网带宽分配的公平性。 本文设计并建立了弹性分组环网络的节点模型、进程模型、链路模型、网络 模型等，并通过c 语言编程实现了模型的功能。通过网络仿真模型对草案中算法 和新的算法进行了仿真比较和性能验证。分析和仿真结果表明，草案中的算法在 非平衡流环境下，使带宽产生持续和永久性振荡。而采用基于二分法的带宽分配 算法，在触发公平算法后，环路带宽将迅速收敛到公平值，避免了持续和永久性 振荡。同时，环路中每个节点都将分配到接近理想的公平带宽，整个环路在实现 公平性的同时，能够得到最大的空间重用。 关键词：光纤通信弹性分组环公平算法二分法仿真 a bs t r a c t t h er e s i l i e n tp a c k e tr i n g ( r p r ) ，s t a n d a r d i z e db yt h ei e e e8 0 2 1 7w o r kg r o u p ， i san e wt o p o l o g yt e c h n o l o g yf o rb i d i r e c t i o n a lp a c k e t s w i t c h e dm e t r o p o l i t a n b a c k b o n en e t w o r k s t h ek e yo b j e c t i v eo fr p ri st oa c h i e v eh i 曲b a n d w i d t h u t i l i z a t i o n ，o p t i m u ms p a t i a lr e u s ea n df a i r n e s ss i m u l t a n e o u s l y r p rt e c h n o l o g yi sa t t h es t a g eo fr e s e a r c ha n de x p l o r a t i o n ，a t t r a c t i n gal a r g en u m b e ro fs c i e n t i f i cr e s e a r c h i n s t i t u t e st o s t u d ya n dr e s e a r c h o n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e s i st h eb a n d w i d t h a l l o c a t i o na l g o r i t h mw h i c hc a nb ed e v i s e dt oa c h i e v et h e s eo b j e c t i v e s i nt h i sp a p e r ，t h er p rn e t w o r kt e c h n o l o g yw a sd i s c u s s e da n dr e s e a r c h e d f i r s t ， av a r i e t yo fs o l u t i o n st ot h en e x tg e n e r a t i o nm a n 、r e f e r e n c em o d e lf o rr p r s h i e r a r c h i c a l 、t h es t r u c t u r ea n do p e r a t i o no fr p rn o d e 、m a ce n t i t ys t r u c t u r ea n d f l a m es t r u c t u r ew a sd e s c r i b e d ，t h e n ，t h ek e yt e c h n o l o g i e sf o rr p rn e t w o r ks u c ha s t o p o l o g yd i s c o v e r ym e c h a n i s ma n dp r o t e c t i o ns w i t c h i n gm e c h a n i s mw a sd i s c u s s e d s e c o n d l y ，t h ef a i r n e s sb a n d w i d t ha l l o c a t i o na l g o r i t h mi n t h er p rn e t w o r kw a s c o n d u c t e da ni n d e p t hs t u d y s o m ee x i s t e n tf a i r n e s sa l g o r i t h m sw e r eg i v e nb r i e f l y a n a l y z i n g as p e c i f i ca n a l y s i sa n dac o m p a r i s o nb e t w e e nt w om o d e s o fo p e r a t i o nf o r t h er p rf a i r n e s sa l g o r i t h mw e r eg i v e n m e a n w h i l e ，at h e o r e t i c a la n a l y s i sf o rt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h er e f e r e n c em o d e lr i a sf a i r n e s sd e f i n i t i o nw a sg i v e n f i n a l l y ，an e wd y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o na l g o r i t h mw i t hl o wc o m p u t a t i o n a l c o m p l e x i t ya n dt i m ec o m p l e x i t yw a sp r e s e n t e d , a n dt h ep e r f o r m a n c eo fo r a b d a n d c o m p a r i s o n sw i t ho t h e r sb a s e do ns i m u l a t i o np l a t f o r mw e r es t u d i e d i nt h i s p a p e r ，d i c h o t o m yw a si n t r o d u c e dt ot h ed e s i g no ff a i r n e s sa l g o r i t h m f i r s t l y d i c h o t o m yi sas i m p l em e c h a n i s ma n di st h es p e e d i e s tc o n v e r g e n tm e t h o df o r i n f o r m a t i o ni n q u i r i n gi no r d e r e ds e t d i c h o t o m yw a su s e di nt h en e wf a i r n e s s a l g o r i t h mt oa c h i e v et h ed y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n i nd i s t r i b u t e dn e t w o r k e n v i r o n m e n tb e c a u s eo ft h el o wc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t ya n dt i m ec o m p l e x i t yo ft h e d i c h o t o m y m e a n w h i l e ，t h ef a i r n e s sb a n d w i d t ha l l o c a t i o no ft h en e t w o r kw a se n s u r e d m a x i m a l l ya m o n ga l lt h ei n g r e s sn o d e s t r a f f i cw i t h o u tb i a st os p a t i a ll o c a t i o n i nt h i sp a p e r ，an e t w o r km o d e lf o rr p rw a se s t a b l i s h e db yn e t w o r ks i m u l a t i o n p l a t f o r ma n dl a n g u a g ec t h er e s u l t sw e r ec o m p a r e db e t w e e ne x i s t i n gf a i r n e s s a l g o r i t h m sa n dt h en e wa l g o r i t h m t h er e s u l t ss h o wt h a tc o m p a r e dw i t hs o m eo t h e r a l g o r i t h m s ，t h en e wa l g o r i t h mw a sa l le f f e c t i v em e t h o di nr e d u c i n gt h eo s c i l l a t i o ni n r p ra n dh a dl o wc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t ya n dt i m ec o m p l e x i t y ，e a c hn o d ec a l lb e a l l o c a t e dw i t ha ni d e a lf a i rr a t ea p p r o x i m a t e l y ，a n dt h ew h o l e r i n gc a nb eo b t a i n e dt h e m a x i m u m s p a t i a lr e u s ea n dc o n v e r g e dq u i c k l y k e yw o r d s ：o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，r e s i l i e n tp a c k e t r i n g ，f a i r n e s s a l g o r i t h m ，d i c h o t o m y , n e t w o r ks i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 单丹 签字日期：a 州年1月2 了日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：卑母导师签名：牙t 签字日期：a 词年1 月珥日 签字日期：砂彳年f 月弓。日 第一章绪论 1 1 弹性分组环网络概述 第一章绪论 1 1 1 弹性分组环网络历史及现状 下一代网络n g n ( n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ) 的提出是通信史上的里程碑， 标志着新一代通信网络时代的到来。n g n 是以电路交换为主的传统的公共交换电 话网p s t n ( p u b li cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ) 与i p a t m 的分组交换网融合 的产物，使得在n g n 上语音、视频、数据等综合业务成为可能。在广域网上，d w d m 技术已经使网络的有效通信量大为增长。同时，很多企业网采用了基于吉比特以 太网的解决方案。然而，在企业网和广域网之间起链接作用的城域网却成为了一 个瓶颈，阻碍了数据业务的发展。因此需要一种扩展性好、能够稳固地应用在城 域网和广域网上、以吉比特的速度传输i p 信息包的技术。下一代光网络和n g n 网络将相互促进、协调发展，共同支持下一代业务的演变和发展。由具有自动配 置功能的大容量的光交换机、新一代的光路由器以及适合于不同场合的低端光系 统所组成的智能光网络代表了下一代光网络的发展方向。其中城域光网络是下一 代光网络发展的关键。城域网是一个城市的信息基础设施，是国家信息高速公路 与城市广大用户的中间环节n 3 。建造城域网的目的是提供单一、通用和公共的网 络构架，藉以高速有效地传输数据、声音、图像和视频等综合业务信息，满足日 益增长的宽带多业务的需求。城域网正在和国家信息高速公路同步地发展着，这 对城域网产生了巨大的带宽压力和多种新的功能需求，包括高带宽、大量的用户 节点类型和数量、带宽分配的弹性、多业务支持和协议无关性、保护和自愈及便 捷的网络管理等。在城域网和其它类型网络环境中，光纤环路是十分普遍的。一 种既能完全利用新型网络潜力，又能容易地与现存以太网和s o n e t 技术相融合的 传输新技术出现的时机已成熟。目前，为满足上述要求而发展的光城域网技术正 在蓬勃发展，出现了多种有效的城域网多业务传送的解决方案，其中具有代表性 的有基于s d h ( 同步数字体系) 的多业务传送平台、基于e t h e r n e t 的多业务传送 平台、基于w d m 的多业务传送平台和基于r p r ( 弹性分组环) 的多业务传送平台。 弹性分组环m a c 层与以太网及$ o n e t 物理层连接技术提供了一种基础标准的方式 来建立更高效的城域网络。 r p r 技术于2 0 0 0 年提出，为解决城域网中已较大规模应用的s d h 、a t m 以及 第一章绪论 以太网技术的一些难题。s d h 作为t d m 通道，对分组业务的支持较差，资源利用 率不高，用其组建城域网结构较复杂，很难做到带宽共享。a t m 虽然在q o s 等方 面有一定优势，但其技术的复杂性导致了昂贵的价格和较高的信元开销，并且与 网络的i p 化发展不相一致。以太网技术作为一种廉价、相对简单的技术，虽然 广泛应用于局域网中，但其缺乏有效的o o s 、网络恢复与保护以及网管机制，远 远不能满足电信营运的需要。而r p r 技术则参照了s d h 与以太网技术的优势，通 过使用环的拓扑结构，实现带宽的共享与保护。 r p r 的目标是在不降低网络性能和可靠性的前提下提供更加经济有效的城域 网解决方案。其有别于传统m a c 协议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，可以实现在光纤介质上通过不同的物理层直接承载i p 和t d m 业务。三种i p 在w a n 中传播的方案( p a c k e to v e rs d h 、a t mo v e rs d h 和 光以太网中r p r ) 中，r p r 技术的成本最低，对现有的i p 协议兼容，如果和多协 议标签交换m p l s 协议结合，可以提供多种业务。如将r p r 设计成为m s t p 的一种 嵌入式功能模块，可以实现带宽的统计复用、环路带宽公平分配、支持不同的业 务类别、提供环保护机制、服务质量保障以及真正意义上的用户隔离功能。同时， r p r 简化了i p 网络结构和层次，提高了效率，也使得i p 统一网络业务平台成为 可能。 鉴于r p r 技术具有众多优势，近年来许多国内外传输设备厂家都在其m s t p 设备上开发了内嵌r p r 功能的设备，于是r p r 技术逐渐走进城域传送网的领域， 并成为热点之一。随着数据业务日益成为通信网络承载业务的主要业务类型，以 及i e e e8 0 2 1 7 标准化工作的日趋完善，r p r 的应用将越来越广，就像s d h 技术 取代p d h ( 准同步数字体系) 技术迅速成为主流的数字传输技术一样，r p r 有可能 会真正开启一个数据传输的新时代。 1 1 2 弹性分组环网络技术特点 弹性分组环是下一代分组化的传送平台瞠 。由i e e e8 0 2 1 7 工作组制定的r p r 技术吸收了吉比特以太网的经济性，s d h 系统环保护的先进性，采用类似以太网 的帧格式，结合m p l s 标记的思想，基于m a c 高速交换，简化了i p 传送。r p r 帧 封装比p o s ( p a c k e to v e rs o n e t s d h ) 更简化灵活，可以支持更细致的带宽颗粒。 网络成本较低，可以有效承载具有突发特点的i p 业务，同时支持传统t d m 语音 业务的传送。有比较好的带宽公平机制和拥塞控制机制，并能很好的实现环路带 宽的空间复用。 一般认为，r p r 是点到点的协议，它依靠控制层的一系列的功能来提高环网 2 第一章绪论 的服务质量、高效性和可管理性。 r p r 技术的主要特点可归纳如下： ( 1 ) 采用双环结构 r p r 网络是一种双环的拓扑结构，每对节点之间都有两条路径，两个子环中 的数据传输均为单向，方向相反，环上的所有链路都拥有相同的数据速率。对环 路带宽采用空间重用机制，单播数据传送可在环的不同部分同时进行，提高了环 路带宽的利用率。 ( 2 ) 具有网络拓扑结构的自动发现和更新功能 在网络拓扑变化时，每个节点通过接收r p r 环上其它节点的m a c 地址，自动 建立和更新自己的拓扑图，使得网络初始化配置变得极其简单，实现了即插即用， 并可避免手工配置带来的错误，便于进行网络的运营维护。 ( 3 ) 能提供快速网络故障恢复 当单个节点或者链路失效时能支持5 0 m s 的业务恢复，r p r 环网可采用两种 保护机制，一种是源路由方式( s t e e r i n g ) ，即直接在业务的源点进行倒换，。可保 证业务选择最佳路径；一种是在发生故障的两个节点进行环回( w r a p p i n g ) 的方 式，可保证对网络故障迅速做出反应。 ( 4 ) 采取统计复用的带宽分配机制 支持灵活的带宽颗粒、带宽的动态共享和分配。能够回收未使用的带宽，比 静态分配带宽的机制能更大限度地利用带宽。对单播业务，其路由的容量能被空 间重用，多个业务流可以在环上共存，对环的容量可实行加权公平接入。从客户 层来的每一种业务可实施流控制，每个节点能够维护通过自身的业务负荷( 包括 本地上环和过环业务量) 。网管可根据这些信息来统计r p r 环路各个跨段上的资 源使用情况，实现环路带宽的灵活、动态管理。 ( 5 ) 提供严格的c o s 分类 r p r 将业务分为3 类，a 类为最高优先级的具有低时延和抖动限制的承诺信 息速率( c i r ) 业务。b 类为次优先级的具有一定的时延和抖动限制的e i r 业务， 此类业务可以超出分配给它的带宽，超出部分需要被打上标记。c 类为尽力传送 的业务。r p r 节点通过对3 类业务的不同处理来保证用户的服务质量要求。 ( 6 ) 支持单播、组播和广播 可将基于i e e e8 0 2 3m a c 地址的单播、组播和广播数据包映射到节点的r p r m a c 地址，实现在r p r 环路上根据节点的r p rm a c 地址完成单播、组播和广播数 据业务的传送。 第一章绪论 1 2 弹性分组环技术与其它技术的比较 ( 1 ) s d h 技术作为多种业务网的基础传输平台有着许多明显的优点。其全世 界同步复用、标准化的光接口、强大的网管能力、灵活的网络拓扑结构和高可靠 性，使它在骨干网中被广泛采用并发挥着重要作用。r p r 与s d h 网络的相同点是 都能够提供专线服务，能够对数据业务进行优化，支持i p 突发特性。传输数据 业务时，随着数据流的增加，s d h 的经济性变差，面向电路的静态带宽分配限制 了节点间最大突发业务数据转化率，大约二分之一的保护带宽资源浪费，提供服 务的速度很慢。而r p r 在保证语音传送的同时能有效的支持具有突发特性的i p 业务，能够实现带宽空间重用，提供大量的高速以太网口，提供不同等级的服务 和基于不同等级的环保护特性等。 ( 2 ) 以太网技术不仅是一种交换技术，而且可作为一种承载技术。由于以太 网技术更加适应业务流量急剧分组化的趋势，并且可以达到电信级运营，成为目 前使用最广泛的组网技术。光纤以太网技术韵出现、1 0 g 以太网标准以及r p r 技 术的逐渐成熟更是推动了以太网技术的发展，广泛应用于城域网领域口，。城域网 采用以太网技术，具有价格便宜，按需配置，速率升级容易，应用广泛等优势。 由于不同速率的以太网采用相同的帧格式，在各种以太网之间可以实现无缝桥 接，因此在以太网构建的网络之间，数据不用经过额外的转换，大大降低了成本 并提高了效率。 r p r 的帧格式类似于千兆以太网，r p r 端口具有干兆以太网的经济性，但在 信令交换和传送机制上有本质的区别。以太网的不足在于生成树不允许节点组成 环形拓扑结构，这使得选取的路由可能不是实际中的最短路径，同时大量的v l a n 维护耗费了网络处理资源，生成树不具有负载均衡功能，拓扑更新缓慢；用户或 者服务在二层隔离，不便于升级，通常需要m p l s 或基于三层的隔离；提供保护 很慢；缺乏全网公平的策略h 1 。r p r 则可以和t 蝴p l s 结合，提供具有可扩展性的 i p 服务，同时又具有千兆以太网的经济性。此外，r p r 能通过一系列机制保证提 供可靠的时钟、延时、抖动保障，可有效支持语音业务，这是千兆以太网不具备 的。 ( 3 ) w d m 技术应用于城域网的功能要求主要有：网络传输具有透明性，可透 明传输不同代码格式及不同速率等级的用户数字信号，透明性允许业务提供者直 接上下某一个波道，而不用转换原始信号格式：网络具有可扩展性，易于升级， 允许网络节点数和业务量的增加，而不会影响现有用户：网络具有可重构性，城 域网往往需要组成比较复杂的网络，光节点上的光分插复用设备和光交叉连接设 备能在光波长上实现灵活、高速、大容量的交叉连接，使网络具有可重构性：带 4 第一章绪论 宽资源丰富，d w d m 技术的优势就是增加网络的容量，以使网络能够支持新的业 务需求。相对于长途骨干网d w d m 来说，城域w d m 具有局限于某一地理区域，必 须有更多的连接，能够承载不同类型业务的特点。由于目前的多数城域w d m 设备 都是在改造长距离干线网络设备的基础上生产的，因此成本比较昂贵。如果采用 这种w d m 对城域网进行升级的价格可能比采用t d m 和铺设新光纤的价格还高，这 将会限制w d m 在城域网中的应用。而数据业务的增长也使传统的支持语音业务的 w d m 系统急需升级改造。而基于r p r 技术的下一代m s t p 解决方案的特点在于能 够提供一个同步的、分组化的网络。网络上传输帧长固定的t d m 业务r p r 帧和帧 长可变的分组业务r p r 帧，可同时提供t d m 专线和m p l s 数据专线。支持统计复 用技术和空间复用技术，环路业务容纳能力为环路带宽的3 4 倍。所有业务流 通过m p l s 标签加以标识，进行服务质量等级分类。基于r p r 的m s t p 网络采用严 格优先级的方式进行业务交换，网络可提供满足电信级标准的p d h 、s d h 业务通 路，并可根据需求支持p a l 、n t s c 或好e g 一2 制式的图像广播业务。 ( 4 ) r p r 与p o s ( p a c k e to v e rs d h ) 技术一样，避免了a t m 技术的协议复杂性 和过高的信头开销，并已经直接将千兆i p 通过弹性分组环数据帧适配在光纤上， 无需进行i p 包的拆分与重组，从而大大提高了交换机的处理能力，并降低了设 备的价格。由于r p r 能够提供动态带宽分配和空间重用，提高了带宽利用率，从 而避免了p o s 点到点连接的局限性，减少了端口数。目前，m s t p 的解决方案正 经历从以s d h 技术为基础向以r p r 技术为基础的过渡，以适用于未来业务网络的 需求。 1 3 课题意义及研究内容 目前弹性分组环技术还处于研究与探索阶段。r p r 技术使得运营商在城域网 内以低成本提供电信级服务，在提供s d h 级网络生存性的同时，降低了传送费用。 由于其既集成了i p 的智能化、以太网的经济性和光纤环网的高带宽效率和可靠 性，又在技术上综合了以太网和s d h 的优点，在功能上具有s d h 时分复用、i p 路由交换等功能，因而被普遍认为是一种很有市场前景的技术。可以相信，随着 技术的不断发展，基于r p r 的新一代m s t p 将成为应用于城域网的主要技术。 本论文以r p r 的公平算法为研究对象，展开了广泛而深入的研究和仿真实验 工作。在此过程中，对r p r 的关键技术进行了研究，特别对其中的带宽公平分配 机制进行了深入的探讨，研究了几种不同的公平参考模型的优缺点，从理论和仿 真两方面分析了r p r 草案算法的公平性及其它性能。提出了一种改进的公平算 法，并从仿真结果上分析了改进的算法的可取之处。 5 第一章绪论 本论文的主要研究内容包括： ( 1 ) 分析r p r 的关键技术。 ( 2 ) 分析r p r 公平算法的原理，对该算法在公平性和提高带宽利用率方面进 行了深入研究。 ， ( 3 ) 对公平模型r i a s 进行了深入研究，并基于r i a s 模型对目前r p r 草案算 法进行了各种性能的仿真实验。 ( 4 ) 根据仿真需要建立了网络仿真模型。 ( 5 ) 针对r p r 草案算法存在的问题，提出了一种新的算法，并通过仿真实验， 对其有效性、正确性和可靠性进行验证。 6 第二章弹性分组环网络关键技术 第二章弹性分组环网络关键技术 2 1 弹性分组环网络基本概念 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s o n e t s d h 一样，是一种双环的光纤网络，节点采用分组交换方式，相邻节点 间通过一对光纤连接。r p r 的双环同时使用，外环沿一个固定方向传输数据，内 环作反方向传输。因为在一个共享介质上传输分组最有效的是由m a c 层的协议来 处理，故r p r 针对网状拓扑结构制定了独立的m a c 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。 r p r 作为一种新的以m a c 层为基础的分组化的城域网技术，引入了一些新的 概念。为了更好的理解r p r 网络，本章首先介绍了弹性分组环的基本概念，之后 介绍了r p r 网络的关键技术。 2 1 1r p r 分层参考模型 o s i 参考模型 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 r p r 层模型 逻辑链路控制 m a c 控制 m a c 数据通道 以太网、s d h 物理层、d w d m 一一m a c 业务接口 一一p h y 业务接口 图2 1r p r 协议参考模型 r p r 的分层参考模型应遵守开放式系统互联o s i 模型，并在此基础上进行适 当地修改，以适应r p r 的特殊需要。图2 1 所示的r p r 协议参考模型包括物理层 ( p h y ) 技术和数据链路层技术晦1 。弹性分组环( r p r ) 主要定义了一种新的m a c 层协 议，是为数据包的优化传输而提出的。开放系统互联参考模型可用来描述r p r 的 7 第二章弹性分组环网络关键技术 体系结构。r p r 属于数据链路层的m a c 子层，包括m a c 业务接口( m a c 业务接口形 成了m a c 子层的上层边界) 和物理层业务接口( 界定了与物理层的边界) 。 物理层的协调子层提供了物理层业务接口与物理层媒体相关接口之间的映 射。协调子层包括以太网物理层和s d h 物理层两种。其中，p h y 可采用e t h e r n e t 的物理层技术、s d h 技术，因此其对上层是透明的，但还应该增加向上触发拓扑 自动识别模块和执行保护倒换等功能。 数据链路层的m a c 与数据链路控制技术( m a c 控制技术) 是r p r 最主要、最基 本的功能，也是标准化组织的研究重点。前者完成的主要功能是数据在介质上传 输的接入控制，后者主要包括流量控制、业务等级支持( s l a ) 、拓扑自动识别、 发布保护倒换命令等功能。m a c 客户层是调用m a c 业务接口的层实体，m a c 可能 没有上层协议，在这种情况下m a c 客户层是m a c 子层的第一个非空层。对等的 m a c 客户实体之间交换客户层协议数据单元p d u ，对等的m a c 子层实体交换m a c 子层协议数据单元p d u 。 2 1 2r p r 环结构及操作 r p r 包括两个反方向环绕的单向环( 外环和内环) ，即一个双环结构如图2 2 所示。两个单向环共享相同的环路径，但传输信号的方向相反f 6 ) 。 图2 - 2 r p r 网络双环结构 在按一定原则为每个业务选择好传送方向后，每个节点只需要对业务进行上 环、过环和下环处理即数据的插入、转发和剥离。因此，环上的每个节点都可以 公平地享用每一段带宽，环路的可用因子为2 ，也就是说，2 5 g b i t s 的r p r 环， 平时可传送5 g b i t s 的业务量。 一个r p r 节点由带有两个邻居的物理层实体和m a c 子层实体组成。节点地址 第二章弹性分组环网络关键技术 为i e e e8 0 2 ( 1 9 9 0 ) 4 8 位的m a c 地址。一个单向环由一系列的单向链路在环上 一个节点接一个节点组成。环上所有的链路具有相同的数据速率，但可能具有不 同的延迟特性。一个跨距段是环上相临两个节点间的部分，系列相临的跨距段 称为一个域。上游和下游两个概念用于描述节点的相对位置。如果一个传送的帧 先到达x 节点，然后再到达y 节点，那么y 节点就是x 节点的下游，x 节点就是 y 节点的上游。 环支持一个帧从源节点传输到目的节点，该目的节点可以是一个单独的m a c 地址，也可以是一组m a c 地址。带有单个目的地址的帧先插入到一个单向环中， 然后，到达目节点时被剥离。该帧被拷贝到目的节点的本地m a c 客户层或者m a c 控制实体。如果目的节点未能删除该帧，该帧的t t l 值会逐站简单递减，并在 t t l 为0 时被删除。 一个带有一组目的地址的帧将被放到一个或者两个单向环中。这个帧被拷贝 到组播成员中的每一个节点，经过环上一圈的周游在到达源节点时被丢弃，或者 在t t l 值被耗尽时删除。当插入的个别帧与环上的节点不同步时，且一个节点插 入的业务帧不超过每种业务类型建立时的速率，插入的帧将会去适应环上正在传 输的帧，并发送出去。 2 1 3r p rm a c 实体结构 互互二 m a c i+im a c 控制层ii 数据层 图2 3 m a c 层结构 m a c 实体包括数据通道和控制实体两部分，如图2 - 3 所示。r p r 属于数据链 路层的m a c 子层，m a c 实体是r p r 节点最为关键的部分。m a c 实体一方面需要与 9 第二章弹性分组环网络关键技术 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。 m a c 实体中包含一个m a c 控制子层和两个m a c 数据通道子层，二者功能如图 2 - 4 和图2 - 5 所示。 m a c 控 m a c 控 m a c 数m a c 数 m a c im a c 控制接口处理 控制 数据接口处理 公平控制、保护、封装、拆封、子环 拓扑数据库、路径选择、帧收集 计算、o a m 帧收炫帧收发 i 发送帧li 接收帧发谈帖山l 棒收帧 l 7 l ，p m 、y 1 篇】，- _ ，一，一 一由h 始b 掘：i 二* 一1 州外锹惦】盥琨 b 理业务接口 接收 1 7 静 姜墟腑 1r | j i 芒 图2 - 4 m a c 控制功能 西向物理层接口东向物理层接口 图2 5 数据通道功能 两个m a c 数据通道分别负责内环和外环的数据交换。m a c 控制实体从这两个 l o 第二章弹性分组环网络关键技术 数据通道中收发数据帧，并且通过m a c 业务接口与m a c 客户端之间进行控制和数 据的交互。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 m a c 业务处理过程。m a c 控制实体只在需要与m a c 客户端发生关系的时候才起作 用，而对于中间节点，则m a c 控制实体基本上不用处理。 m a c 数据通道主要完成以下五个功能： ( 1 ) 流量要整形( s h a p i n g ) ，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( s t a g i n g ) ； ( 3 ) 在过环节点时，数据帧要排队( q u e u i n g ) ； ( 4 ) 要选择数据帧递送到本地客户端或控制子层： ( 5 ) 要选择数据帧从环上剔除。 2 1 4r p r 帧结构 8 0 2 1 7 中定义的r p r 的m a c 帧结构在以太网的8 0 2 3 系列的帧结构上有所 改进，使其具有环网的特性。r p r 的m a c 帧有四种类型：数据帧、控制帧、公平 帧、空闲帧。 图2 - 6r p r 数据帧格式 r p r 的基本数据单元是数据帧，数据帧的格式类似于以太网帧，如图2 - 6 所 示。对各字段说明如下： 生存时间( t t l ，t i m et ol i v e ) ：防止r p r 帧出现死循环。数据帧每经过一 个节点，t t l 值减l ，当t t l 的值为0 时，这个帧就从环上剥离下来。 第二章弹性分组环网络关键技术 目的地址( d a ，d e s t i n a t i o na d d r e s s ) 、源地址( s a ，s o u r c ea d d r e s s ) ：标 识帧发送的目的地址和源地址。 帧头校验( h e c ，h e a d e rc h e c k s u m ) ：检测帧的完整性，判断帧头是否有效。 净负荷( p a y l o a d ) ：长度可变的字段，长度根据客户提供的业务数据单元( s d u ) 变化，既可以是语音，也可以是数据、图像业务。 帧校验序列( f c s ) ：3 2 位的循环冗余校验序列，初值为全l 。 r p r 的控制帧由帧类型字段设置来识别，可以是单播或者广播报文。控制帧 格式如图2 - 7 。 n 4 皤 b as e c o n t l d a s 童 豫b a s e e x 馆n d e d c o n t r o t h e c c o n t r o l t y p e c o n i r o l v e r s 白， c o n t r o l d a t au n i t f c s p a y l o a d t r a i l e r 图2 - 7r p r 控制帧格式 r p r 的公平帧不同于数据帧和其它控制帧的帧格式，如图2 8 。公平报文不 是被发送到指定目的节点，而是被发送到一个节点最近的邻居或者广播到整个环 路。因此，目的地址不包含任何有用信息而被省略。公平报文尽量保持很小来节 省带宽和内存资源。 l 礁 b a s e c o n t ，o l s a c o m o a c f f a i m e s s h e a d e f f a i r 尺a 馆 r c s 图2 - 8r p r 公平帧格式 1 2 甜 甜 ， 础 巾 ：玺 窘： 妇 _iiiil-，_；i-、厂弋 第二章弹性分组环网络关键技术 r p r 的空闲帧用于校准m a c 邻节点间的速率同步。对于无效的r p r 帧，将被 m a c 丢弃。环网节点数据处理一般包括转发、发送和接受，环网上大量的转发数 据处理是在m a c 层完成，不需要到i p 层进行处理，而且数据转发可使用存储转 发s t o r ea n df o r w a r d 和直通c u tt h r o u g h 方式，其中直通方式处理速度快，性 能高。 2 2 空间重用机制 带宽利用率高是r p r 的重要特点，传统的s o n e t 网络需要环带宽的5 0 作 为冗余，r p r 采用了空间重用协议s r p ，不存在光纤空闲备份的情况，光纤利用 率高引。 图2 9 环上不同跨距段可同时传不同帧 r p r 环不重叠的部分多个业务帧可以共存。图2 - 9 所示为一个帧在外环从节 点4 传输到节点5 ，同时另外的帧在外环从节点o 传输到节点2 。图2 - 1 0 所示为 一个帧在外环从节点2 传输到节点3 ，同时另外的帧在内环从节点4 传输到节点 1 ，即节点2 和节点3 之间同时传输两个不同的帧。r p r 网络中的单播报文采用 目的端包删除的方式，报文一旦到达目的地，就从环路上剥离，这意味着该传输 仅占用源节点和目的节点之间的环容量，实现了传输带宽的空间重用。空间重用 是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。简单地说就是正常情况下，数据在源节点和目的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数据报 文，提高了环带宽的利用率，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，如图2 一l 】所示。 r p r 报文也是分插复用a d m 的结构，具有空间重用的特点，环网节点之间数 据传输互不影响，同时支持不同节点间独立的并发传输和相同节点重叠的并发传 第二章弹性分组环网络关键技术 输，使得环网的资源可以分段使用，使整个环网的累积带宽大于单个链路的带宽 容量，也大大提高了带宽的利用率。 图2 - 1 0 不同环上同一跨距段可传不同帧 s 0s ls 2 2 3 保护倒换机制 图2 - 1 1 空间重用 r p r 采用了s d h 的环形结构，同时也继承了一个特点，就是故障白愈能力非 常强，具有快速的网络恢复能力，对数据的保护倒换时间小于5 0 m s ，为数据提 供了电信级的保护。r p r 支持两种不同的保护倒换方式，即源路由( s t e e r i n g ) 方 式和环回( w r a p p i n g ) 方式，其中源路由方式必须支持，环回方式为可选支持。图 2 1 2 分别是两种倒换方式的示意图。 环回方式比较简单，当环路上某一节点或某段线路发生故障时，在发生故障 附近的节点处自动环回，即把内环和外环连在一起。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 1 4 第二章弹性分组环网络关键技术 过故障点的被保护数据变更传输方向( 绕开) 以避开故障点。此时，自动保护切换 事件发生，进入到自动拓扑发现模式。环回方式的优点是故障切换的恢复时间非 常短，只可能丢失极少量的报文，不会造成业务中断的情况，缺点是浪费环网的 带宽，使得数据流走很多弯路。 图2 1 2 两种倒换方式的示意图 源路由方式的倒换是指当环路上的某个地方发生故障时，数据流不需要从发 生故障的的地方环回。节点光纤入口物理层设备检测到错误后，将该故障点和类 型的信息发送到每个节点，拓扑也相应更改，源节点只需要直接按新的拓扑进行 路径选择，并根据新的路由发送数据给目的节点，已经发出的小部分数据将在故 障点被丢弃。源路由方式的特点是带宽利用率高，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。 2 4 拓扑发现机制 在r p r 的m a c 控制中，提供自动拓扑发现的功能。当r p r 环最先初始化时， 整个网络进入到自动拓扑发现模式。拓扑发现通过广播拓扑发现控制帧来实现， 每经过一个节点该节点会附加本节点的m a c 地址，并改写长度标识值。当通过一 个发生光纤故障的节点时，该节点会在这个控制帧中标识这个节点为环回节点， 并从反向环发送这个帧。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