弹性分组环技术

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弹性分组环技术




弹性分组环(RPR)是目前城域网中的新兴技术之一，其标准即将出台。许多公司都在研发基于RPR技术的产品，目前市场上已经出现相关产品。预计RPR技术将会在未来的城域网中受到青睐。本讲座上一期介绍了RPR技术产生的背景、现状、主要技术特点，分析了各种城域网技术的特性；本期重点讲述RPR网络中的一些关键技术：带宽复用机制、拥塞控制机制、资源访问公平性机制、智能保护倒换机制；下期将讨论RPR目前存在的问题以及IP over RPR技术的发展。



5 RPR的帧格式
    弹性分组环(RPR)技术是一种媒体访问控制(MAC)层技术，在了解RPR的各种机制之前，首先需要了解RPR的帧格式和数据通路子层的结构。RPR帧分为4种：数据帧、控制帧、公平帧、空闲帧。数据帧用来传输数据；控制帧用来传输控制信息，包括拓扑发现消息、OAM消息等；公平帧用来传输与公平控制有关的消息；空闲帧在相邻站点间使用，用来消除帧间的抖动。帧的类型利用基本控制字节中的2个比特来区分，此字节中的另外2个比特用来区分帧的优先级。RPR的地址格式和以太网的是一样的，均是6字节48位的MAC地址。这样可以实现以太网到RPR网络的无缝连接。


6 RPR数据通路子层的结构
    RPR的站点结构包括数据通路子层和MAC子层，其中数据通路子层负责提供每个子环上的数据传送功能。RPR数据通路子层可以分为两类：单队列和双队列模型，如图7所示，其中转发队列只有第一转发队列(PTQ)时为单队列模型；如果包括第一转发队列和第二转发队列(PTQ&STQ)时为双队列模型。图7中的检验器模块用来检验接收的数据及其类型。如果是本地的，则送往客户层(数据帧时)或MAC控制子层(不为数据帧时)处理；如果是经自己转发的则送往转发队列。






    转发队列为单队列模型时，所有的数据都送往PTQ；双队列模型时，A类业务送往优先级高的PTQ，B和C类业务送往优先级低的STQ。RPR的设计原则是为了尽可能快地转发数据，所以应该尽量避免在转发时进行复杂的处理。单队列和双队列模型各有利弊，单对列模型设计和管理都较简单，但是对高优先级用户的支持不够；双队列模型的设计和管理比单队列模型复杂，但是可以利用队列的不同优先级满足高优先级用户的服务质量。


    本地数据在发送前都要受到整形器(Shaper)的整形，其速率要受到控制。图7中各种整形器模块的功能实际上就是整形。A类业务分为A0和A1子类，其带宽由系统进行预留。A1子类业务的带宽在不用时可以收回(即由B类和C类业务占有)，A0子类业务的带宽是不能收回的。下游整形器(ShD)是为了保证下游A0类业务带宽的整形器。适用于公平调节业务的整形器(ShF)是用于调节所有可由公平控制机制调节业务的整形器。控制帧整形器(ShM)是对MAC控制层始发的数据(数据为控制帧，发送优先级相当于A类业务)进行整形的整形器。整形器平台(Stage)用于平衡始发数据与转发数据，防止始发数据过多导致转发数据饥饿。比如：为了限制最坏情况下的STQ延时过长(双队列结构)，要限制不断增长的B和C类始发数据的传送，所以当STQ的长度达到一定门限值时，要阻止本地B和C类数据的传送，这样才不会导致STQ由于空间不够，而丢弃后续进入的数据帧。


    在RPR的层次参考模型中，MAC客户层与MAC控制层之间的服务接口通过网络服务原语实现。


    服务原语包括2类：数据原语和控制原语。
控制原语中包含指示MAC客户是否可以发送数据的指示信令(如SendA、SendB、SendC)，这些指令结合相应的流量控制机制，可以控制本地站点始发的流量。
根据流量控制机制，所有从站点始发的数据(包括站点MAC客户层始发的数据A、B、C类，以及从MAC控制层始发的控制数据)和由站点转发的数据都要受到数据通路层的各种整形器的限制。各整形器的参数设置需要根据网络情况决定。


7 带宽复用机制
    为了有效地利用网络带宽，RPR采用了带宽统计复用技术和空间重用技术。RPR带宽分配不同于SDH/SONET，它采用统计复用机制，各站点可以动态调节自己的流量。统计复用技术已被广泛应用于各种数据网络中(如IP、ATM、MPLS、帧中继等网络)。在SDH/SONET中，每个分插复用设备增加/减少带宽需要手工静态配置，配置完成后，即使相应时隙的容量空闲，也不能再分配给别的时隙。当然，为了弥补这些不足，也有其他技术与之相结合来最大限度利用带宽，其中就包括RPR技术(利用RPR与SDH/SONET的兼容性)。


    为了保证业务的服务质量，RPR中定义了3种服务等级：A类(完全有服务质量保证)、B类(部分有服务质量保证)、C类(尽力而为)。对于A类业务的A1类和B类业务中的有保证部分，系统对带宽进行完全的预留，同时当预留容量未被利用时，允许回收预留带宽，以提高带宽利用率。对于B类业务中的无保证部分和C类业务，系统允许竞争带宽，此时需要一定的公平控制机制进行全局带宽管理。为了充分利用网络的带宽资源，RPR还采用了空间重用技术。


    由于RPR不采用传统的基于令牌环的介质访问控制技术，站点不需要令牌帧的控制，同时站点始发的单播数据帧在目的地会被剥离，所以环上的各个站点可以同时并发地向环中插入数据帧，此种方式称为空间重用，如图8所示。图8中环上的站点向环插入各自的帧可以是不同步的，在环上某一链路上传送的帧和在别的链路上传送的帧之间也是相互独立的。图8中反映了空间重用的3种情况：






(1)同一个环上的不同段链路能够存在并发帧，如帧A和帧B可以在相同的环上经过不同的跨度。


(2)不同环上的相同链路能够存在并发帧，如帧B和帧C可以在不同的环上经过相同的跨度。


(3)不同环上的不同链路能够存在并发帧，如帧A和帧C可以在不同的环上经过不同的跨度。


    图9描述了多播传送数据时如何最大限度地利用带宽。RPR多播传送数据时，利用数据帧头部的ttl域和da域，通过设置将数据帧指定为多播帧。当站点收到多播帧时，需要拷贝一份到本站点，同时转发此帧到下一站点。通过此种方式，RPR在进行多播传送数据时，通过空间重用技术可以最大限度地利用环上带宽。



8 拥塞控制机制
    实际网络中会出现不同程度的拥塞，当环路发生拥塞时，如果不进行缓解，则拥塞加剧，此时节点设备会大量丢失数据，导致网络的性能急剧下降。在RPR网络中有一套拥塞机制来缓解这种情况。RPR拥塞控制提供的实际上是一种环路拥塞发现和速率限制的机制。拥塞控制包括本地拥塞点判断和环路拥塞点的发现及通告。

8.1 本地拥塞点的判断
    可以用下面的条件来判断本地是否产生拥塞：
(1)双队列模型时
    双队列模型时STQ队列设有一个门限值，如果在队列中的数据长度超过此值，则判断发生了拥塞。


(2)单队列模型时
单队列模型时满足以下条件之一就可以判断拥塞：转发队列的速率大于链路的速率，本地始发的数据等待的时间超过一个门限值。

8.2 环路拥塞点的发现及通告
    当环路上某个节点发现拥塞时，会通过拥塞控制消息通知上游节点，此消息利用与数据传输方向相反的环传输。上游的各个节点通过提取公平控制帧中的公平速率参数来调整本地的始发数据，从而达到降低速率消除拥塞的目的。公平速率参数的计算和使用需要用到公平控制机制。


    图10所示为拥塞节点示意图：图中数据传输利用环0，拥塞消息通知利用环1。节点1到节点5都有流量b1—b5通过节点6，此时节点6判断：如果有b1+b2……b6>链路速率×(1-预留业务的百分比)，则节点6拥塞，此时通知上游节点1到节点5降低b1—b5速率，从而缓解拥塞。






9 资源访问公平性机制
    公平帧中包括站点接收到的公平性速率参数，这个参数可以用来调节本地发送速率。RPR的公平性通过运行在MAC层的公平性算法实现，目的是为了迫使环上所有发送公平可适(FE)数据(指除了A类业务和B类业务数据中不超过所分配带宽的部分)的站点以相对公平的速率发送(在环路存在重负载或拥塞的情况下)，避免出现以太网的上游站点享有优先权，而导致下游站点只能发送少量数据的现象。


    公平性算法要达到的目标是：

支持基于源站点的加权公平性。每个站点都具备一定的权值，他们的公平速率等于环路所有共享带宽的均值乘站点的权值。
支持暂时未用的预留带宽的回收。
拥塞控制支持单拥塞和多拥塞(拥塞节点发生在网络中多个节点时称为多拥塞)的MAC客户。
对环路上流量的瞬时变化有一个快速的响应时间。
确保环路带宽的最大利用率。
算法具备良好的扩展性。
算法具备良好的稳定性。当环路流量发生变化时，算法要保证在一个有限的时间内达到公平稳定状态。

    公平性算法通过MAC层中的公平控制单元(FCU)完成，FCU要完成的基本功能包括：

决定何时拥塞到达，何时拥塞消失。
计算要广播的公平速率(在每个广播周期)。
计算本地站点始发数据的上限值。
发送和存储公平控制消息。
将本地站点始发数据的上限作为数据通路层的整形器参数对公平可适数据速率进行限制。
提供多拥塞消息给支持虚输出队列(VDQ)的客户。

    目前IEEE 802.17标准中的公平性算法有2类：一类为保守模式，另一类为聚集模式。
(1)保守模式
    由于初始反馈速率等于链路未被预留的速率除以有数据流过拥塞节点的上游节点数目，从而在拥塞首次出现时可计算出初始的反馈速率，然后在此基础上根据拥塞程度进行微量的调节，当队列中的数据包增多时，可以减少反馈速率，反之可以增加反馈速率。上游站点根据反馈速率来调整自己的发送速率，最后达到平衡点。  


(2)聚集模式
    拥塞节点周期性地向上游节点发布公平速率，上游节点将收到的公平速率作为自己的本地发送速率；拥塞消除后，节点会通知上游节点增加速率；当达到一定程度时，又会拥塞；如此反复，直到达到平衡。


    两种模式优缺点比较如下：采用保守模式时，数据吞吐率的振荡幅度较小，但链路的利用率不高，且收敛到平衡点时较慢；采用聚集模式时，数据吞吐率振荡幅度较大，聚集模式对链路的利用率较高，且收敛较快。


    两种模式在实际应用中都会遇到一些问题，本讲座下一讲再进行详细讨论。


10 智能保护倒换机制
    RPR的保护倒换机制有两种：一种称为转向机制，它是强制的保护机制，所有的站点都默认支持；另一个为可选的保护机制，称为卷绕机制。设备制造商可以选择其中任何一种机制，但是如果是选择卷绕机制的话，所有网络中的节点都要支持此种模式。


(1)转向机制
    对于转向机制，要求任何站点不能延迟故障消息，要把保护请求消息送到每一个站点。每一个源站点有义务把消息发送到无故障的环0或环1。当站点收到指示故障的保护请求消息时，它们的数据库将会发生相应的更新。站点根据更新后的数据库发送数据帧。在源站点更新之前发送出去的帧，如果途经故障点，将会在故障点丢失。
对于转向环路，当一条链路出现故障时，对多播的帧来说，最简单的方法是两个方向都发送，并把数据帧头部的ttl域的值设为源站点和有故障点之间的站点数，以避免复制的帧在网中循环。


(2)卷绕机制
    对于卷绕机制，如果监测到一个设备或工具的失效，去往故障点的传输将被折回到相反方向上的另一条环。在保护协议的控制下，“折回”发生于毗邻故障的站点。新的路由将会避开故障点。举例如下：数据通路发生卷绕之前及之后的传输方向分别如图11和图12所示。在光纤断裂之前，站点4通过路径S4->S5->S0->S1向站点1发送数据。如果在站点5和站点0之间有一处光纤断裂的话，站点5将会把业务流由环0向环1折回，并且站点0会把业务流由环1向环0折回。当这个过程结束后，最初从站点4到站点0的业务流将流经非最优路径S4→S5→S4→S3→S2→S1→S0→S1。在“折回”过程中，S1不会从保护子环(环1)上剥离帧，这么做是为了避免帧的失序。



    对转向机制与卷绕机制进行比较可知：转向机制更能充分利用网络的带宽，但是在进行保护时，丢失的数据较卷绕机制多。用户可以采用两种保护机制相结合的方式：首先采用卷绕机制，然后，当拓扑数据库内容更新后，过渡到转向机制。这样既可以避免保护时过多丢失数据，也可以充分利用网络的带宽。拓扑更新后转向的业务流路径如图13所示，数据库更新后会发现一条新的环路拓扑，新的最优化的路径为S4→S3→S2→S1。(待续)