论文部分内容阅读
摘要：基于SDH技术的多业务平台组网MSTP虽然融合了IP以太网业务，但从IP以太网到SDH还是要经过很多的协议开销和转换，无法做到更高的带宽利用率，对于突发流量也无法支持。对于通信系统来讲，骨干承载网最重要的特性就是高可靠性，高业务承载能力和很好的QOS能力， RPR技术兼备IP天然承载优势和高可靠性技术，必将成为承载网络的首选。
关键词：MSTPSDHQOSRPR
1概述
近年来，通信传输技术日新月异，各种技术在承载不同的的业务方面并非一脉相承。传统的传输技术SDH通过增加模块承载新业务，而通信新技术融合了SDH故障自愈的高可靠性与以太网的经济性、高带宽、灵活性、可扩展能力等优势，提供数据优化的带宽管理、高性能多业务传输解决方案。
2SDH
SDH全称叫做同步数字传输体系（Synchronous Digital Hierarchy），是一种同步数字技术，基于时分复用。对于上层的各种网络，SDH相当于一个通明的物理通道，在这个透明的通道上，只要带宽允许，用户可以开展各种业务，如电话、数据、数字视频等，这些业务的质量可得到严格的保障，这得益于这个通道就像两个点到点的物理连接。
SDH的基础技术
SDH技术体系中，最基本的模块信号是STM-1信号，将其同步、复用，得到STM-N信号，N=1,4,16,64等。提供的主要标准速率值为：
STM-1 （OC-3）155.520M b/s
STM-4 （OC-12）622.080M b/s
STM-16 （OC-48）2488.320M b/s
STM-64 （OC-192）9953.280M b/s
SDH設备主要包括：同步终端复用器STM(Synchronous Terminal Multiplexer)，分插复用器ADM(Add/Drop Multiplexer)和同步交叉连接设备SDXC(Synchronous Digital Cross Connect) 。另外，还有网络管理系统设备NMS(Network Management System)。
SDH提供自愈功能，作用是提高网络的生存性，即在无人工参与的情况下，网络能及时地发现错误，并能在极短的时间内自动恢复承载的业务，而用户根本感觉不到网络的故障。SDH具有50ms的保护倒换，可靠性很高。
2MSTP（多业务传送平台）
由于高速路由器成本昂贵，不可能将其在城域网接入层大规模部署，某些提供 SDH 解决方案的传输厂商将 POS 技术应用到传输设备上，即 EOS技术(Ethernet Over Sonet)。这样，传统的 SDH 设备就可以对外提供以太网口，直接承载以太网业务，称之为 MSPP(多业务服务配置平台)，在中国则叫 MSTP(多业务传送平台)。
在这个平台上，TDM业务、ATM业务、IP业务都可以接入，并且能高效传输；更进一步，3种业务还可以进行交叉和交换。因此多业务传送平台(MSTP)的优势是非常明显的，既能够兼容目前大量应用的TDM业务，又可以满足日益增长的数据业务(IP、ATM)的要求，同时采用了目前最为成熟的SDH组网和保护技术。
MSTP的基础技术
MSTP最重要的特性是以太网业务的处理。按照实现技术划分，MSTP上以太网功能可以分为透传、二层交换，环网等。
1）透传：最简单的一种，对于客户端的以太网信号不做任何二层处理，直接将数据包封装到SDH的VC容器中。由于功能相对简单，成本也是各类实现技术中最低的。
2）二层交换：利用IEEE 802.1D透明网桥的算法，根据数据包的MAC地址，实现以太网接口侧不同以太网端口与系统侧不同VC容器之间的包交换，当然也可以根据IEEE 802.1Q的VLAN Tag对数据包交换。同时可利用生成树协议（STP）实现对于以太网业务的二层保护。
3）环网技术：利用SDH的VC容器作为虚拟环路，实现所有环路节点带宽动态分配、共享。通常意义上的说，环网技术应是二层交换的一种特殊应用，部分MSTP设备也利用二层交换实现了简单的以太环网，但这种方式的缺点是无法保证环路各个节点带宽的公平接入，对于环路业务的QOS也无法实现端到端的保证。针对这一问题，有的MSTP设备采用了内置RPR技术，在SDH环网上开辟VC通道作为RPR虚拟环路。
3RPR
RPR（弹性分组环）是IEEE 802.17工作组标准化的一种新的MAC层技术，是工作在OSI协议栈第二层的介质访问控制（MAC）协议，和物理层无关，可运行于SONET/SDH、10GE和DWDM之上。
RPR技术融合了SDH故障自愈的高可靠性与以太网的经济性、高带宽、灵活性、可扩展能力等优势，RPR基于环型拓扑提供数据优化的带宽管理、高性能多业务传输解决方案。
3.1RPR的拓扑结构
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），如图1所示：
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)。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。
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。当链路故障时，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。
3.2RPR的基本数据操作
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：
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；
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；
过环(transit)：将途经本节点的数据流继续转发到下一个节点；
剔除(strip)：使途径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。
4MSTP技术对于IP承载的演进
4.1MSTP使用静态VC支持IP业务
1）承载技术分析
基于MSTP（SDH）技术的多业务平台组网，进行以太网业务承载时需要在以太网入接口将以太网MAC数据使用GFP/PPP等模式映射到VC通道，在利用骨干网SDH的技术进行交叉连接映射，最终到对端的MSTP设备上，在经过GFP解析复用成以太网MAC数据，经过二层交换找到最终的以太网出接口。具体的中间过程如下图所示。
从上面的过程可以看出，MSTP虽然融合了IP以太网业务，但只是两层网的简单叠加，从IP以太网到SDH还是要经过很多的协议开销和转换，在骨干网通道还是以固定的VC通道形式承载，，如果做到网状互连的时候，由于SDH环网只是线路环网，逻辑还是点点互连，就会存在单条点对点链路的VC通道带宽低的情况，无法做到更高的带宽利用率，对于突发流量也无法支持。
2）这种承载方式带来的弊端
（1）由于提供的业务是点到点以太网透传，需要对每个业务预留带宽和保护带宽。如图2所示，如果对3个以太网交换的业务进行汇聚，如果采用2.5G的SDH环，每个以太网交换机的中继可得到417M带宽的通道(2.5G/6=417M)。在实际网络部署中，接入层以太网交换机极多，每个交换机中继可分
配的带宽＝环路带宽／（以太网交换机数目*2）。由此可见，点到点连接越多，以太网交换机的中继带宽越小。各个以太网透传通道间没有任何复用关系。某些通道可能在某个时刻数据流量很大，而环路不能为它实时提供更大的带宽，其它通道可能此时却处于空闲状态。VC-12的ML-PPP映射，需要将以太网分组拆分为48份，系统处理效率和性能极低。
（2）对每个以太网透传业务都提供一次PPP/ML-PPP映射和解映射，成本开销大。以太网映射采用PPP或ML-PPP方式，映射效率低,PPP采用FLAG帧定界方式，需要在映射的过程中进行字节填充和去填充。ML-PPP虽然支持多个VC通道绑定，部分解决了以太网和SDH VC间的速率不匹配问题，但是在映射的过程中需要进行分组拆分，并在对端进行分组的排序重组。如果对100M采用
为了解决这种弊端，部分厂家设计的MSTP平台开始使用叠加以太环网技术进行中继连接，以解决全网状连接和统计复用的问题。
4.2 MSTP使用以太环网支持IP业务
1）承载技术分析
每个 MSTP 设备具有支持 L2 MAC/VLAN 交换的以太网处理板卡，环上所有节点的以太网处理板卡通过 SDH 通道组成环形，共享以太网环带宽。在城域网边缘，边缘以太网交换用于用户接入和汇聚，并通过 10/100M 电口连接到MSTP 设备上的以太网卡上。在 POP 节点，MSTP 设备通过标准的以太网口同以太网设备互通。在这种解决方案中，实际上是在汇聚层增加了一个 L2 交换层，如图3所示。
对比第一种的承载方式，这种承载方式解决了部分的问题：
对外提供的服务是在以太网环上共享带宽。相对于点到点的方式提供业务，带宽利用率大大提高。
仅需要在每个以太网处理板卡上进行左右两个方向的以太网到 SDH 映射，而不需要基于每个以太网业务端口进行映射，大大降低了网络造价。
2）这种承载方式带来的弊端
虽然这种方式解决了逻辑上全网状连接和带宽共享的问题，但还是存在一些弊端如下：
其机制仍然是基于 TDM 交换，只是拿出一部分的 TDM 通道供数据业务使用。节点间的交换仍然基于 TDM 的时隙进行，数据业务的处理仅在板卡上进行。
以太网业务处理板卡作为一个业务处理板卡存在，MSTP 设备可以对 TDM交换矩阵提供 1＋1 包括，但如果没有对业务板卡采取 1＋1 保护。当此板卡出现问题时，会影响到整个系统 MAC 层的稳定性。
如果以太网业务处理板卡出现问题，由于以太网环是双向的，必须使用 STP向以太网业务提供保护倒换，保护倒换时间十分缓慢。SDH 层保护倒换不能提供任何帮助。STP的收敛时间在秒级。
网络带宽利用率极低。由于采用 SDH 层提供环保护功能，每个交换机上宽带板卡作为 SDH 层的一个业务的方式存在，每个相临节点的以太网处理芯片间的 SDH 通道连接都消耗网络的带宽资源，并需要对其提供单独的 SDH层的保护。当环路有 4 个节点，每个节点都具有以太網处理芯片时，相邻节点间都有以太网业务通道的连接，如果想不采用以太网的 Spanning Tree 提供保护，必须采用 SDH 层和环保护功能。这样，网络带宽实际利用率实际降为环路带宽的 1/4。
从这点来看，仅仅解决网状连接和带宽复用的问题，而使用以太环网的技术并不是最好的选择，此时RPR技术进入了MSTP厂商的视线。但基于RPR技术的MSTP平台虽然可以解决以太环网的收敛慢的问题，承载网结构却变得更加复杂，对于IP业务的承载还是要经过多种协议转换，协议开销大，延迟大的问题还是没有解决。
基于RPR的MSTP承载IP业务的转发性能（IP设备的转发时延在10us级别）
5RPR技术的优势
RPR技术是个物理层无关性的技术，可以承载在SDH上，也可以承载在裸光纤上。H3C的骨干网承载方案就是基于承载在裸光纤的RPR环网技术搭建的。
RPR的技术优点：
RPR技术综合了SDH/SONET和以太网以及其它一些环网技术的优点，集IP的智能化、以太网的经济性和光纤环网的高带宽、高可靠性于一体；
RPR具有电信级的可靠性，不仅能够处理面向数据的业务传送，同时可以提供处理多业务传送的综合传输解决方案。50ms的保护倒换、高可靠性，又具有10GE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；
SDH为实现保护机制，预留了50％带宽，相比较RPR带宽利用率高（2.5G的RPR实际双环可以承载5G流量）；而且SDH带宽不能根据网络中流量的实际情况而改变；
RPR有流量等级保证QoS（Quality of Service），支持带宽预留的业务。
5.1灵活的拓扑发现和管理
RPR环上的每个节点都利用拓扑保护帧来广播自己的拓扑和保护状态信息，其它节点收到以后更新本地拓扑数据库，最终使得环上的每一个节点对整环的拓扑信息有一个一致的认识。
当节点保护状态发生改变的时候，主动发送8帧拓扑保护帧，发送时长可配置，取值范围为1ms到20ms，缺省值为10ms。而且，还周期性地发送拓扑保护帧，时长可配置。这种发送机制，保证环上节点的保护状态信息发生变化时，能够及时、可靠地让所有环上节点感知到，除了进行拓扑更新，更主要的是保证倒换及时进行。由上可见，RPR支持拓扑自动发现，即插即用，新加入节点无需配置，就可以得到整环信息，同时也能够让其他节点感知到。这使得RPR在进行节点扩展上面非常灵活和简单，整网的扩展性非常好。
5.2高可靠的故障保护自愈
对于环上突发的故障，RPR协议可以迅速响应，进行保护，保证业务在50ms内恢复。保护模式分为steer和wrap两种，在steer模式下，环上的节点发生故障后，通过拓扑保护帧将节点的故障情况迅速发送出去，同时，重新选环，在另一个子环上继续收发业务，其他节点收到故障点的拓扑保护帧后，触发相应的保护处理，重新计算节点的可达性，并更新选环表，选择从可达子环到达环上其他节点。在wrap模式下，故障区段的两侧节点都会进入wrap模式，其他节点无需更新选环表，仍旧按照原有路径发送，在到达到故障点的时候，数据流被环回到另外一个子环，反向发送，到达故障区段的另一侧节点，再折回到原来的子
环到达目的节点。Wrap模式保护时间更短，因为环上节点不需要根据拓扑保护帧做相应的保护处理，无需更新选环表。但是wrap模式浪费带宽，折回数据流占用带宽。H3C的RPR采用wrap then steer方式，在WRAP模式下，故障邻节点进入WRAP模式，等拓扑稳定后再进行重新选环，按最短路径到达目的站点，避免带宽的浪费。
5.3公平的带宽分配
环网的资源在节点之间是共享的，RPR将提供一种整个环网级别的全局公平算法，以保证节点间公平享用带宽，并尽力提高带宽的最大利用率。公平算法能够动态地对网络流量进行调控，尽量避免网络拥塞，对于突发的大数据流量进行有效地调节，保证用户正常地使用网络。
为实现这一目标，RPR 环网节点监测自身带宽资源的使用情况，同时在节点间提供显式的反压机制，该反馈信息通告发送源网络当前的可用能力，使之调整流量，最终实现全网的公平。
RPR使用独特的技术来合理的利用现有的带宽，提高带宽利用率，具体分为以下三个部分：
确定节点拥塞的门限
确定节点向上游节点广播的速率
确定节点本地能允许上环的速率
其原理是：当一个节点有拥塞发生，它将通过与传送数据相反方向的子环发送拥塞公告（Advertise），告知一个 Advertise速率，上游节点利用这个Advertise速率，通过反压信号通知Host，来调整自己允许上环的速率，以不超过拥塞节点Advertise速率，如果该节点也发生了拥塞，就同样计算其Advertise速率发送到其上游节点。
带宽管理只作用于低优先级数据包，对于高优先级数据包和控制包不起作用，可以保障高优先级业务的优质服务。Ethernet和其它环网技术没有带宽管理能力，不能有效公平地利用网络资源。
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10Gbps，流量通过外环传送。
首先C、B节点分别发送4000Mbps流量至节点D，在C－D段共享带宽，C－D段链路消耗的带宽为8Gbps，无拥塞。
接下来A节点也注入4000Mbps流量发送至D节点，C－D段流量要达到12Gbps，超过RPR链路带宽极限值10Gbps，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2000Mbps，同时通过内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3000Mbps。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調整为3300Mbps，公平享用带宽。
在这个案例中的流量都要求绝对公平。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，每个节点都可以配置一个公平性的权重值。
5.4良好的QOS能力
RPR天然具备很好的QOS保证，比如50ms故障自愈能力、高带宽利用率、先进RPR-Fa公平算法等，可以提供高可靠性、大吞吐量、小迟延、低丢失率的业务保证能力。
另外RPR支持三种流量等级：
Class-A：提供低抖动带宽保证，以支持TDM业务，分为A0和A1，其中A0带宽是全环预留的，而A1和B类的保证带宽都是可以回收的，空闲时可以被低优先级业务占用；
Class-B：提供低延时带宽保证，用来进行分优先级次序的数据发送，分为B-CIR和B-EIR；
Class-C：尽力而为流量，如传统的IP业务。
优先级别由RPR头中的sc域决定。
RPR MAC中转发队列有两种模式，单队列和双队列。单队列模式会将三种不同优先级的业务都放入一个FIFO队列中，无区别对待，而双队列则分为高低两种优先级，其与三种流量等级的对应关系为：
Class-A：使用高优先级队列；
Class-B：使用低优先级队列，B类CIR业务比Class-C优先级高，不使用公平算法； B类EIR业务与Class-C优先级一样，使用公平算法；
Class-C：使用低优先级队列。
Class-B业务会分配一个CIR(Committed Information Rate)，符合CIR的Class-B流量将会被视为高优先级流量，而不符合的流量B-EIR则被视为低优先级流量。RPR MAC控制流量发送的次序，单队列模式和双队列模式的方式不同。
双队列模式
RPR MAC调度报文的发送，包括转发报文和HOST发送报文，HOST发送报文不进转发队列，由HOST队列缓存。RPR MAC调度方式如下：
(1)高优先级转发队列中的报文总是最先发送；
(2)只要低优先级转发队列未满，则Class A发送报文会被第二个发送；
(3)B-CIR发送报文将会第三个被发送；
(4)如果没有违反公平性算法的话，B-EIR和Class C发送报文第四个发送；
(5)在没有其他的包发送的时候，低优先级转发队列中的报文才会被发送；
(6)在步骤2中，如果出现低优先级转发队列超过特定阀值，优先调度该队列发送。
单队列模式
转发队列中的报文将被最先发送，且不管优先级高低；然后A，B，C优先级发送报文顺序发送，C类和B-EIR业务需要遵循公平性算法的限制。
RPR支持带宽预留，对预留的带宽提供完善的QOS保证，因此可以实现传统的语音业务的传输。
RPR对高优先级的业务不经过公平算法调度优先发送，公平算法只对低优先级的业务起作用（组网时对各节点的高优先级的业务发送量要预先设定，避免高优先级业务过量发送）。
RPR对高低优先级的数据包具有多种静态流量整形方法，可以采用RATE-LIMITER，而对于公平算法控制低优先级数据包还有动态流量整形。
由此可见，RPR具有丰富的QOS保证措施，即使在Host没有QOS保证的情况下，RPR环仍然可以提供非常优越的QOS保证。
6分析总结
对于通信系统来讲，骨干承载网最重要的特性就是高可靠性，高业务承载能力和很好的QOS能力，而现今的通信系统设备又多为IP设备，对于IP的承载，数据通信设备有着天然的优势，而RPR技术又兼备这传输技术高可靠性，兼备IP天然承载优势和RPR高可靠性技术的IP数据通信设备必将成为承载网络的首选。
承载IP的技术对比总结如下表所示：
注：文章中所涉及的公式和图表请用PDF格式打开
关键词：MSTPSDHQOSRPR
1概述
近年来，通信传输技术日新月异，各种技术在承载不同的的业务方面并非一脉相承。传统的传输技术SDH通过增加模块承载新业务，而通信新技术融合了SDH故障自愈的高可靠性与以太网的经济性、高带宽、灵活性、可扩展能力等优势，提供数据优化的带宽管理、高性能多业务传输解决方案。
2SDH
SDH全称叫做同步数字传输体系（Synchronous Digital Hierarchy），是一种同步数字技术，基于时分复用。对于上层的各种网络，SDH相当于一个通明的物理通道，在这个透明的通道上，只要带宽允许，用户可以开展各种业务，如电话、数据、数字视频等，这些业务的质量可得到严格的保障，这得益于这个通道就像两个点到点的物理连接。
SDH的基础技术
SDH技术体系中，最基本的模块信号是STM-1信号，将其同步、复用，得到STM-N信号，N=1,4,16,64等。提供的主要标准速率值为：
STM-1 （OC-3）155.520M b/s
STM-4 （OC-12）622.080M b/s
STM-16 （OC-48）2488.320M b/s
STM-64 （OC-192）9953.280M b/s
SDH設备主要包括：同步终端复用器STM(Synchronous Terminal Multiplexer)，分插复用器ADM(Add/Drop Multiplexer)和同步交叉连接设备SDXC(Synchronous Digital Cross Connect) 。另外，还有网络管理系统设备NMS(Network Management System)。
SDH提供自愈功能，作用是提高网络的生存性，即在无人工参与的情况下，网络能及时地发现错误，并能在极短的时间内自动恢复承载的业务，而用户根本感觉不到网络的故障。SDH具有50ms的保护倒换，可靠性很高。
2MSTP（多业务传送平台）
由于高速路由器成本昂贵，不可能将其在城域网接入层大规模部署，某些提供 SDH 解决方案的传输厂商将 POS 技术应用到传输设备上，即 EOS技术(Ethernet Over Sonet)。这样，传统的 SDH 设备就可以对外提供以太网口，直接承载以太网业务，称之为 MSPP(多业务服务配置平台)，在中国则叫 MSTP(多业务传送平台)。
在这个平台上，TDM业务、ATM业务、IP业务都可以接入，并且能高效传输；更进一步，3种业务还可以进行交叉和交换。因此多业务传送平台(MSTP)的优势是非常明显的，既能够兼容目前大量应用的TDM业务，又可以满足日益增长的数据业务(IP、ATM)的要求，同时采用了目前最为成熟的SDH组网和保护技术。
MSTP的基础技术
MSTP最重要的特性是以太网业务的处理。按照实现技术划分，MSTP上以太网功能可以分为透传、二层交换，环网等。
1）透传：最简单的一种，对于客户端的以太网信号不做任何二层处理，直接将数据包封装到SDH的VC容器中。由于功能相对简单，成本也是各类实现技术中最低的。
2）二层交换：利用IEEE 802.1D透明网桥的算法，根据数据包的MAC地址，实现以太网接口侧不同以太网端口与系统侧不同VC容器之间的包交换，当然也可以根据IEEE 802.1Q的VLAN Tag对数据包交换。同时可利用生成树协议（STP）实现对于以太网业务的二层保护。
3）环网技术：利用SDH的VC容器作为虚拟环路，实现所有环路节点带宽动态分配、共享。通常意义上的说，环网技术应是二层交换的一种特殊应用，部分MSTP设备也利用二层交换实现了简单的以太环网，但这种方式的缺点是无法保证环路各个节点带宽的公平接入，对于环路业务的QOS也无法实现端到端的保证。针对这一问题，有的MSTP设备采用了内置RPR技术，在SDH环网上开辟VC通道作为RPR虚拟环路。
3RPR
RPR（弹性分组环）是IEEE 802.17工作组标准化的一种新的MAC层技术，是工作在OSI协议栈第二层的介质访问控制（MAC）协议，和物理层无关，可运行于SONET/SDH、10GE和DWDM之上。
RPR技术融合了SDH故障自愈的高可靠性与以太网的经济性、高带宽、灵活性、可扩展能力等优势，RPR基于环型拓扑提供数据优化的带宽管理、高性能多业务传输解决方案。
3.1RPR的拓扑结构
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），如图1所示：
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)。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。
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。当链路故障时，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。
3.2RPR的基本数据操作
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：
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；
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；
过环(transit)：将途经本节点的数据流继续转发到下一个节点；
剔除(strip)：使途径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。
4MSTP技术对于IP承载的演进
4.1MSTP使用静态VC支持IP业务
1）承载技术分析
基于MSTP（SDH）技术的多业务平台组网，进行以太网业务承载时需要在以太网入接口将以太网MAC数据使用GFP/PPP等模式映射到VC通道，在利用骨干网SDH的技术进行交叉连接映射，最终到对端的MSTP设备上，在经过GFP解析复用成以太网MAC数据，经过二层交换找到最终的以太网出接口。具体的中间过程如下图所示。
从上面的过程可以看出，MSTP虽然融合了IP以太网业务，但只是两层网的简单叠加，从IP以太网到SDH还是要经过很多的协议开销和转换，在骨干网通道还是以固定的VC通道形式承载，，如果做到网状互连的时候，由于SDH环网只是线路环网，逻辑还是点点互连，就会存在单条点对点链路的VC通道带宽低的情况，无法做到更高的带宽利用率，对于突发流量也无法支持。
2）这种承载方式带来的弊端
（1）由于提供的业务是点到点以太网透传，需要对每个业务预留带宽和保护带宽。如图2所示，如果对3个以太网交换的业务进行汇聚，如果采用2.5G的SDH环，每个以太网交换机的中继可得到417M带宽的通道(2.5G/6=417M)。在实际网络部署中，接入层以太网交换机极多，每个交换机中继可分
配的带宽＝环路带宽／（以太网交换机数目*2）。由此可见，点到点连接越多，以太网交换机的中继带宽越小。各个以太网透传通道间没有任何复用关系。某些通道可能在某个时刻数据流量很大，而环路不能为它实时提供更大的带宽，其它通道可能此时却处于空闲状态。VC-12的ML-PPP映射，需要将以太网分组拆分为48份，系统处理效率和性能极低。
（2）对每个以太网透传业务都提供一次PPP/ML-PPP映射和解映射，成本开销大。以太网映射采用PPP或ML-PPP方式，映射效率低,PPP采用FLAG帧定界方式，需要在映射的过程中进行字节填充和去填充。ML-PPP虽然支持多个VC通道绑定，部分解决了以太网和SDH VC间的速率不匹配问题，但是在映射的过程中需要进行分组拆分，并在对端进行分组的排序重组。如果对100M采用
为了解决这种弊端，部分厂家设计的MSTP平台开始使用叠加以太环网技术进行中继连接，以解决全网状连接和统计复用的问题。
4.2 MSTP使用以太环网支持IP业务
1）承载技术分析
每个 MSTP 设备具有支持 L2 MAC/VLAN 交换的以太网处理板卡，环上所有节点的以太网处理板卡通过 SDH 通道组成环形，共享以太网环带宽。在城域网边缘，边缘以太网交换用于用户接入和汇聚，并通过 10/100M 电口连接到MSTP 设备上的以太网卡上。在 POP 节点，MSTP 设备通过标准的以太网口同以太网设备互通。在这种解决方案中，实际上是在汇聚层增加了一个 L2 交换层，如图3所示。
对比第一种的承载方式，这种承载方式解决了部分的问题：
对外提供的服务是在以太网环上共享带宽。相对于点到点的方式提供业务，带宽利用率大大提高。
仅需要在每个以太网处理板卡上进行左右两个方向的以太网到 SDH 映射，而不需要基于每个以太网业务端口进行映射，大大降低了网络造价。
2）这种承载方式带来的弊端
虽然这种方式解决了逻辑上全网状连接和带宽共享的问题，但还是存在一些弊端如下：
其机制仍然是基于 TDM 交换，只是拿出一部分的 TDM 通道供数据业务使用。节点间的交换仍然基于 TDM 的时隙进行，数据业务的处理仅在板卡上进行。
以太网业务处理板卡作为一个业务处理板卡存在，MSTP 设备可以对 TDM交换矩阵提供 1＋1 包括，但如果没有对业务板卡采取 1＋1 保护。当此板卡出现问题时，会影响到整个系统 MAC 层的稳定性。
如果以太网业务处理板卡出现问题，由于以太网环是双向的，必须使用 STP向以太网业务提供保护倒换，保护倒换时间十分缓慢。SDH 层保护倒换不能提供任何帮助。STP的收敛时间在秒级。
网络带宽利用率极低。由于采用 SDH 层提供环保护功能，每个交换机上宽带板卡作为 SDH 层的一个业务的方式存在，每个相临节点的以太网处理芯片间的 SDH 通道连接都消耗网络的带宽资源，并需要对其提供单独的 SDH层的保护。当环路有 4 个节点，每个节点都具有以太網处理芯片时，相邻节点间都有以太网业务通道的连接，如果想不采用以太网的 Spanning Tree 提供保护，必须采用 SDH 层和环保护功能。这样，网络带宽实际利用率实际降为环路带宽的 1/4。
从这点来看，仅仅解决网状连接和带宽复用的问题，而使用以太环网的技术并不是最好的选择，此时RPR技术进入了MSTP厂商的视线。但基于RPR技术的MSTP平台虽然可以解决以太环网的收敛慢的问题，承载网结构却变得更加复杂，对于IP业务的承载还是要经过多种协议转换，协议开销大，延迟大的问题还是没有解决。
基于RPR的MSTP承载IP业务的转发性能（IP设备的转发时延在10us级别）
5RPR技术的优势
RPR技术是个物理层无关性的技术，可以承载在SDH上，也可以承载在裸光纤上。H3C的骨干网承载方案就是基于承载在裸光纤的RPR环网技术搭建的。
RPR的技术优点：
RPR技术综合了SDH/SONET和以太网以及其它一些环网技术的优点，集IP的智能化、以太网的经济性和光纤环网的高带宽、高可靠性于一体；
RPR具有电信级的可靠性，不仅能够处理面向数据的业务传送，同时可以提供处理多业务传送的综合传输解决方案。50ms的保护倒换、高可靠性，又具有10GE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；
SDH为实现保护机制，预留了50％带宽，相比较RPR带宽利用率高（2.5G的RPR实际双环可以承载5G流量）；而且SDH带宽不能根据网络中流量的实际情况而改变；
RPR有流量等级保证QoS（Quality of Service），支持带宽预留的业务。
5.1灵活的拓扑发现和管理
RPR环上的每个节点都利用拓扑保护帧来广播自己的拓扑和保护状态信息，其它节点收到以后更新本地拓扑数据库，最终使得环上的每一个节点对整环的拓扑信息有一个一致的认识。
当节点保护状态发生改变的时候，主动发送8帧拓扑保护帧，发送时长可配置，取值范围为1ms到20ms，缺省值为10ms。而且，还周期性地发送拓扑保护帧，时长可配置。这种发送机制，保证环上节点的保护状态信息发生变化时，能够及时、可靠地让所有环上节点感知到，除了进行拓扑更新，更主要的是保证倒换及时进行。由上可见，RPR支持拓扑自动发现，即插即用，新加入节点无需配置，就可以得到整环信息，同时也能够让其他节点感知到。这使得RPR在进行节点扩展上面非常灵活和简单，整网的扩展性非常好。
5.2高可靠的故障保护自愈
对于环上突发的故障，RPR协议可以迅速响应，进行保护，保证业务在50ms内恢复。保护模式分为steer和wrap两种，在steer模式下，环上的节点发生故障后，通过拓扑保护帧将节点的故障情况迅速发送出去，同时，重新选环，在另一个子环上继续收发业务，其他节点收到故障点的拓扑保护帧后，触发相应的保护处理，重新计算节点的可达性，并更新选环表，选择从可达子环到达环上其他节点。在wrap模式下，故障区段的两侧节点都会进入wrap模式，其他节点无需更新选环表，仍旧按照原有路径发送，在到达到故障点的时候，数据流被环回到另外一个子环，反向发送，到达故障区段的另一侧节点，再折回到原来的子
环到达目的节点。Wrap模式保护时间更短，因为环上节点不需要根据拓扑保护帧做相应的保护处理，无需更新选环表。但是wrap模式浪费带宽，折回数据流占用带宽。H3C的RPR采用wrap then steer方式，在WRAP模式下，故障邻节点进入WRAP模式，等拓扑稳定后再进行重新选环，按最短路径到达目的站点，避免带宽的浪费。
5.3公平的带宽分配
环网的资源在节点之间是共享的，RPR将提供一种整个环网级别的全局公平算法，以保证节点间公平享用带宽，并尽力提高带宽的最大利用率。公平算法能够动态地对网络流量进行调控，尽量避免网络拥塞，对于突发的大数据流量进行有效地调节，保证用户正常地使用网络。
为实现这一目标，RPR 环网节点监测自身带宽资源的使用情况，同时在节点间提供显式的反压机制，该反馈信息通告发送源网络当前的可用能力，使之调整流量，最终实现全网的公平。
RPR使用独特的技术来合理的利用现有的带宽，提高带宽利用率，具体分为以下三个部分：
确定节点拥塞的门限
确定节点向上游节点广播的速率
确定节点本地能允许上环的速率
其原理是：当一个节点有拥塞发生，它将通过与传送数据相反方向的子环发送拥塞公告（Advertise），告知一个 Advertise速率，上游节点利用这个Advertise速率，通过反压信号通知Host，来调整自己允许上环的速率，以不超过拥塞节点Advertise速率，如果该节点也发生了拥塞，就同样计算其Advertise速率发送到其上游节点。
带宽管理只作用于低优先级数据包，对于高优先级数据包和控制包不起作用，可以保障高优先级业务的优质服务。Ethernet和其它环网技术没有带宽管理能力，不能有效公平地利用网络资源。
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10Gbps，流量通过外环传送。
首先C、B节点分别发送4000Mbps流量至节点D，在C－D段共享带宽，C－D段链路消耗的带宽为8Gbps，无拥塞。
接下来A节点也注入4000Mbps流量发送至D节点，C－D段流量要达到12Gbps，超过RPR链路带宽极限值10Gbps，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2000Mbps，同时通过内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3000Mbps。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調整为3300Mbps，公平享用带宽。
在这个案例中的流量都要求绝对公平。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，每个节点都可以配置一个公平性的权重值。
5.4良好的QOS能力
RPR天然具备很好的QOS保证，比如50ms故障自愈能力、高带宽利用率、先进RPR-Fa公平算法等，可以提供高可靠性、大吞吐量、小迟延、低丢失率的业务保证能力。
另外RPR支持三种流量等级：
Class-A：提供低抖动带宽保证，以支持TDM业务，分为A0和A1，其中A0带宽是全环预留的，而A1和B类的保证带宽都是可以回收的，空闲时可以被低优先级业务占用；
Class-B：提供低延时带宽保证，用来进行分优先级次序的数据发送，分为B-CIR和B-EIR；
Class-C：尽力而为流量，如传统的IP业务。
优先级别由RPR头中的sc域决定。
RPR MAC中转发队列有两种模式，单队列和双队列。单队列模式会将三种不同优先级的业务都放入一个FIFO队列中，无区别对待，而双队列则分为高低两种优先级，其与三种流量等级的对应关系为：
Class-A：使用高优先级队列；
Class-B：使用低优先级队列，B类CIR业务比Class-C优先级高，不使用公平算法； B类EIR业务与Class-C优先级一样，使用公平算法；
Class-C：使用低优先级队列。
Class-B业务会分配一个CIR(Committed Information Rate)，符合CIR的Class-B流量将会被视为高优先级流量，而不符合的流量B-EIR则被视为低优先级流量。RPR MAC控制流量发送的次序，单队列模式和双队列模式的方式不同。
双队列模式
RPR MAC调度报文的发送，包括转发报文和HOST发送报文，HOST发送报文不进转发队列，由HOST队列缓存。RPR MAC调度方式如下：
(1)高优先级转发队列中的报文总是最先发送；
(2)只要低优先级转发队列未满，则Class A发送报文会被第二个发送；
(3)B-CIR发送报文将会第三个被发送；
(4)如果没有违反公平性算法的话，B-EIR和Class C发送报文第四个发送；
(5)在没有其他的包发送的时候，低优先级转发队列中的报文才会被发送；
(6)在步骤2中，如果出现低优先级转发队列超过特定阀值，优先调度该队列发送。
单队列模式
转发队列中的报文将被最先发送，且不管优先级高低；然后A，B，C优先级发送报文顺序发送，C类和B-EIR业务需要遵循公平性算法的限制。
RPR支持带宽预留，对预留的带宽提供完善的QOS保证，因此可以实现传统的语音业务的传输。
RPR对高优先级的业务不经过公平算法调度优先发送，公平算法只对低优先级的业务起作用（组网时对各节点的高优先级的业务发送量要预先设定，避免高优先级业务过量发送）。
RPR对高低优先级的数据包具有多种静态流量整形方法，可以采用RATE-LIMITER，而对于公平算法控制低优先级数据包还有动态流量整形。
由此可见，RPR具有丰富的QOS保证措施，即使在Host没有QOS保证的情况下，RPR环仍然可以提供非常优越的QOS保证。
6分析总结
对于通信系统来讲，骨干承载网最重要的特性就是高可靠性，高业务承载能力和很好的QOS能力，而现今的通信系统设备又多为IP设备，对于IP的承载，数据通信设备有着天然的优势，而RPR技术又兼备这传输技术高可靠性，兼备IP天然承载优势和RPR高可靠性技术的IP数据通信设备必将成为承载网络的首选。
承载IP的技术对比总结如下表所示：
注：文章中所涉及的公式和图表请用PDF格式打开