RPR与SDH保护机制的对比分析
发布时间：2015-07-09 11:05
[摘 要]RPR技术(弹性分组环)是一种新型的MAC层协议，它具有弹性的特点，即能够实现50ms时间内的故障保护切换。RPR采用了SDH的环形结构，和SDH同样具有故障自愈能力强的特点，但有一定的区别。文章分析了两种保护机制的特点，比较了二者的联系与区别。
[关键词]RPR；SDH；保护机制
RPR弹性分组环协议是一种新的MAC层协议。RPR是为优化数据包的传输而提出的，它吸收了千兆以太网的经济性，SDH对延时和抖动的严格保障，可靠的时钟和50ms环保护和恢复等特性，并具有空间复用，带宽动态分配，支持业务级别等特点，成为当前光网络上传输数据包的一种优化技术，是新一代城域网建设的首选。RPR协议已经被IEEE 802.17工作组于2004年6月正式推出。
1 RPR基本结构描述
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个速率上。不同的是，RPR的双环都能够传送数据。RPR外环的传送方向为顺时针方向，内环的传送方向为逆时针方向。RPR的保护不需要专用的带宽备份，其中的两个环均可用于传送数据，且可相互用作备份。它通过在环上广播倒换控制消息的方式，使环上所有的节点确知发生故障的路由或节点。
2 RPR的保护机制
RPR保护协议提供了对所有被保护业务小于50ms的可靠的保护倒换机制，即所谓的弹性。RPR支持两种保护机制，它包括源路由保护倒换和回绕保护倒换。任意一种保护机制都可满足RPR的保护要求，但前一种源路由保护对于RPR来说是必备的，而绕回保护则是可选的。
2.1源路由的保护机制(steering)
对于源路由的必备的保护，当检测到故障时，节点并不在故障部分进行绕回，而是向各个节点发送保护请求信息告知链路故障，当各节点收到表示故障信息的保护请求信息时，各节点更新保护数据库，发送业务的源节点负责将每个源站点的业务从外环或内环转移到另外一个单向环，而避开失效的链路。在源站点的源数据库没有更新之前，因为没有相关的机制，传送包将在失效点丢失。采用源路由方式提供保护时，光纤中断点两端的每个业务的源节点会根据拓扑更新信息向反向倒换业务，业务仍然可根据RPR 层终点MAC 到达环路出口。源路由保护方式的优点在于大大提高了环路带宽利用率，并且某条光纤上的业务保护倒换时，对此段另一条光纤上的业务没有任何影响。源路由方式需要所有站点的支持，在接收到达某一目的站的通路失效的通知后，源节点切换单播业务到能继续连接到目的站的环，对于诸如多播或广播的传输，业务直接向内环和外环传送从而到达环上所有站点。
2.2绕回的保护机制(Wraping)
在这种方式下，当检测到故障时，故障邻近的节点会把一个环上的业务绕回到另一个环上，绕回发生在故障处两端节点，按保护倒换协议进行绕回。这种方法使数据流在经过很长一段路径到达目的节点时，都会保持连通性。对于回绕保护，如果设备失效，从失效点进出的业务将回绕到沿反方向发送的环上。在保护倒换协议的控制之下，保护回绕发生于与故障点相邻的站点，业务流将通过回绕保护从失效点重选路由。此时的路由不是最优化的路由，随后，随着新的环拓扑发现，一个新的优化的数据通道将会启用。但拓扑发现和随后的优化路径选择已不属于保护倒换协议的范畴。当采用绕回方式提供保护时，可对RPR MAC 层旁路，直接采用物理层的绕回。绕回保护方式的优点在于保护倒换时间相对快，分组流失少。如果分组为多播业务，则绕回保护方式不需要重新计算多播的复制点。绕回方式保护可根据具体支持的情况而定，是可选的方式，只有环上所有节点都提供支持的前提下才激活，业务在失效点直接切换到反向环以保证环上所有站点的连接，绕回方式保护对源站点是透明的。
左图是故障前的正常数据流，从节点1到节点4，走外环，路径为1－2－3－4；
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1－2－1－6－5－4－3－4；
右图为故障后源路由保护方式，从A节点到D节点的数据流量改源路由道，走另外一个环(这里是内环)到达目的节点，路径为1－6－5－4。
2.3两种方式的比较
RPR规定的两种故障保护Wrapping和Steering，各有优缺点，Wrapping倒换快，无数据丢失，但是，由于绕行，带宽比较浪费。而Steering，无需绕回和绕行，没有带宽浪费问题，但是由于机制决定，保护稍慢，有一定包丢失。
目前大部分厂商设备同时支持绕回和源路由这两种方式，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，后转用源路由方式的保护流程。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，切换到源路由方式，以便节省带宽。这样可以到达最佳的保护和利用效果。
3 SDH保护机制的研究
SDH的保护属于物理层的技术，它通过冗余的带宽和冗余的网络设备来实现网络的保护切换，使得网上因网络失效而受影响的业务能够自动恢复。
3.1点到点的SDH APS保护机制
SDH的APS机制，可以提供点到点的保护。APS具体实现可以采取1+1，1：1或1：N保护倒换几种方式。
1+1方式是指发端在主/备用两个信道（一般是位于两根不同的光纤）上发送同样的业务流，收端在正常情况下从主用信道接收业务流。当主用信道故障时，收端将切换到从备用信道上接收业务流，从而使业务流得以恢复。此种方式优点是倒换速度快，缺点是信道利用率低，只有50%。
1：1方式是指在正常时发端在主用信道上发送主用业务流，而在备用信道上发送额外业务流（可被中断的低优先级业务数据）。当主用信道故障时，发端把主用业务流桥接到备用信道发送，额外业务流将被丢弃。而收端将从备用信道接收主用业务流，从而使主用业务得到恢复。此种方式倒换也可以保证100%的业务恢复，而且信道利用率较高，但速度比1：1方式要慢。
1：N方式类似于1：1方式，只不过是N条主用信道共享1条备用信道。因此当有两条以上的主用信道故障时，却只有1条主用业务可以得到恢复。这种方式进一步提高了信道的利用率，为N/（N＋１），但降低了系统的可靠性，不能保证100%的业务恢复。
3.2 SDH 自愈环 SHR
对于环形拓扑结构，SDH提供了强大的自愈环（SHR）保护功能。所谓自愈，就是指不需要人为的干预，网络就能在极短的时间内从失效故障中自动恢复所传送的业务，使用户感觉不到出了故障。自愈环结构可以划分为两大类，即通道倒换环和复用段倒换环。对于通道保护环，业务量的保护是以通道为基础的，并通常利用简单的通道告警指示AIS信号来决定是否应进行倒换。而对于复用段倒换环，业务量的保护是以复用段为基础的，倒换与否按每一对节点间的复用段信号质量的优劣而定。按照业务信号是沿一个方向还是两个相反的方向传输可以将SDH环分为单向环和双向环。单向环中所有业务信号按同一方向在环中传输，而双向环中，进入环的支路信号按一个方向传输，由该支路信号分路的节点返回的信号按相反方向传输。按照两个节点间光纤最小数量来区分可以分为2纤环和4纤环。通常，通道倒换环主要工作在单向二纤方式。而复用段倒换环既可以工作在单向方式，又可以工作在双向方式；既可以是二纤方式，又可以是四纤方式。两者的区别体现在前者往往使用专用保护，即正常情况下保护段也在传业务信号，保护时隙为整个环专用；后者往往使用公用保护，即正常情况下保护段是空闲的，保护时隙由每对节点共享。通道倒换环还有一个优点，即可以有选择地决定某些通道保护，某些不保护。这样在实际网络中，由于往往有其他保护方式（诸如业务量路由分摊或DXC恢复）需要1+1保护的通道量并不很大，此时通道保护环就比较经济了；而当局间通信各节点之间均有较大业务量，而且节点需要较大的业务量分插能力时，具有较大业务量的双向复用段倒换环比较合适。
4 RPR与SDH保护机制的比较
RPR弹性分组环协议是一种新的MAC层协议，而SDH的保护属于物理层的技术。
传统的SDH网络需要环带宽的50%作为冗余，RPR则利用两个反向旋转的环来控制数据业务量，特别是采用了空间重用协议SRP。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。这样，多个节点可以同时收发分组，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。
RPR可提供不同等级的服务和不同等级的环网保护功能，这些都是SDH所不具备的。同时，RPR基于源路由倒换，而SDH基于复用段保护，在空间复用的支持下，基于源路由的环保护倒换可节省出SDH复用段保护倒换所经过的绕回处带宽。
通过上面的介绍我们不难看出，RPR的源路由保护和回绕保护方式，与SDH的通道保护、复用段环保护的工作方式有些类似。但两者在网络工作层次、保护控制方式、带宽利用率等方面都存在较大差异。所以在不同的情况下，研究采用何种保护机制并使之协调工作，将具有重要的意义。
[关键词]RPR；SDH；保护机制
RPR弹性分组环协议是一种新的MAC层协议。RPR是为优化数据包的传输而提出的，它吸收了千兆以太网的经济性，SDH对延时和抖动的严格保障，可靠的时钟和50ms环保护和恢复等特性，并具有空间复用，带宽动态分配，支持业务级别等特点，成为当前光网络上传输数据包的一种优化技术，是新一代城域网建设的首选。RPR协议已经被IEEE 802.17工作组于2004年6月正式推出。
1 RPR基本结构描述
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个速率上。不同的是，RPR的双环都能够传送数据。RPR外环的传送方向为顺时针方向，内环的传送方向为逆时针方向。RPR的保护不需要专用的带宽备份，其中的两个环均可用于传送数据，且可相互用作备份。它通过在环上广播倒换控制消息的方式，使环上所有的节点确知发生故障的路由或节点。
2 RPR的保护机制
RPR保护协议提供了对所有被保护业务小于50ms的可靠的保护倒换机制，即所谓的弹性。RPR支持两种保护机制，它包括源路由保护倒换和回绕保护倒换。任意一种保护机制都可满足RPR的保护要求，但前一种源路由保护对于RPR来说是必备的，而绕回保护则是可选的。
2.1源路由的保护机制(steering)
对于源路由的必备的保护，当检测到故障时，节点并不在故障部分进行绕回，而是向各个节点发送保护请求信息告知链路故障，当各节点收到表示故障信息的保护请求信息时，各节点更新保护数据库，发送业务的源节点负责将每个源站点的业务从外环或内环转移到另外一个单向环，而避开失效的链路。在源站点的源数据库没有更新之前，因为没有相关的机制，传送包将在失效点丢失。采用源路由方式提供保护时，光纤中断点两端的每个业务的源节点会根据拓扑更新信息向反向倒换业务，业务仍然可根据RPR 层终点MAC 到达环路出口。源路由保护方式的优点在于大大提高了环路带宽利用率，并且某条光纤上的业务保护倒换时，对此段另一条光纤上的业务没有任何影响。源路由方式需要所有站点的支持，在接收到达某一目的站的通路失效的通知后，源节点切换单播业务到能继续连接到目的站的环，对于诸如多播或广播的传输，业务直接向内环和外环传送从而到达环上所有站点。
2.2绕回的保护机制(Wraping)
在这种方式下，当检测到故障时，故障邻近的节点会把一个环上的业务绕回到另一个环上，绕回发生在故障处两端节点，按保护倒换协议进行绕回。这种方法使数据流在经过很长一段路径到达目的节点时，都会保持连通性。对于回绕保护，如果设备失效，从失效点进出的业务将回绕到沿反方向发送的环上。在保护倒换协议的控制之下，保护回绕发生于与故障点相邻的站点，业务流将通过回绕保护从失效点重选路由。此时的路由不是最优化的路由，随后，随着新的环拓扑发现，一个新的优化的数据通道将会启用。但拓扑发现和随后的优化路径选择已不属于保护倒换协议的范畴。当采用绕回方式提供保护时，可对RPR MAC 层旁路，直接采用物理层的绕回。绕回保护方式的优点在于保护倒换时间相对快，分组流失少。如果分组为多播业务，则绕回保护方式不需要重新计算多播的复制点。绕回方式保护可根据具体支持的情况而定，是可选的方式，只有环上所有节点都提供支持的前提下才激活，业务在失效点直接切换到反向环以保证环上所有站点的连接，绕回方式保护对源站点是透明的。
左图是故障前的正常数据流，从节点1到节点4，走外环，路径为1－2－3－4；
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1－2－1－6－5－4－3－4；
右图为故障后源路由保护方式，从A节点到D节点的数据流量改源路由道，走另外一个环(这里是内环)到达目的节点，路径为1－6－5－4。
2.3两种方式的比较
RPR规定的两种故障保护Wrapping和Steering，各有优缺点，Wrapping倒换快，无数据丢失，但是，由于绕行，带宽比较浪费。而Steering，无需绕回和绕行，没有带宽浪费问题，但是由于机制决定，保护稍慢，有一定包丢失。
目前大部分厂商设备同时支持绕回和源路由这两种方式，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，后转用源路由方式的保护流程。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，切换到源路由方式，以便节省带宽。这样可以到达最佳的保护和利用效果。
3 SDH保护机制的研究
SDH的保护属于物理层的技术，它通过冗余的带宽和冗余的网络设备来实现网络的保护切换，使得网上因网络失效而受影响的业务能够自动恢复。
3.1点到点的SDH APS保护机制
SDH的APS机制，可以提供点到点的保护。APS具体实现可以采取1+1，1：1或1：N保护倒换几种方式。
1+1方式是指发端在主/备用两个信道（一般是位于两根不同的光纤）上发送同样的业务流，收端在正常情况下从主用信道接收业务流。当主用信道故障时，收端将切换到从备用信道上接收业务流，从而使业务流得以恢复。此种方式优点是倒换速度快，缺点是信道利用率低，只有50%。
1：1方式是指在正常时发端在主用信道上发送主用业务流，而在备用信道上发送额外业务流（可被中断的低优先级业务数据）。当主用信道故障时，发端把主用业务流桥接到备用信道发送，额外业务流将被丢弃。而收端将从备用信道接收主用业务流，从而使主用业务得到恢复。此种方式倒换也可以保证100%的业务恢复，而且信道利用率较高，但速度比1：1方式要慢。
1：N方式类似于1：1方式，只不过是N条主用信道共享1条备用信道。因此当有两条以上的主用信道故障时，却只有1条主用业务可以得到恢复。这种方式进一步提高了信道的利用率，为N/（N＋１），但降低了系统的可靠性，不能保证100%的业务恢复。
3.2 SDH 自愈环 SHR
对于环形拓扑结构，SDH提供了强大的自愈环（SHR）保护功能。所谓自愈，就是指不需要人为的干预，网络就能在极短的时间内从失效故障中自动恢复所传送的业务，使用户感觉不到出了故障。自愈环结构可以划分为两大类，即通道倒换环和复用段倒换环。对于通道保护环，业务量的保护是以通道为基础的，并通常利用简单的通道告警指示AIS信号来决定是否应进行倒换。而对于复用段倒换环，业务量的保护是以复用段为基础的，倒换与否按每一对节点间的复用段信号质量的优劣而定。按照业务信号是沿一个方向还是两个相反的方向传输可以将SDH环分为单向环和双向环。单向环中所有业务信号按同一方向在环中传输，而双向环中，进入环的支路信号按一个方向传输，由该支路信号分路的节点返回的信号按相反方向传输。按照两个节点间光纤最小数量来区分可以分为2纤环和4纤环。通常，通道倒换环主要工作在单向二纤方式。而复用段倒换环既可以工作在单向方式，又可以工作在双向方式；既可以是二纤方式，又可以是四纤方式。两者的区别体现在前者往往使用专用保护，即正常情况下保护段也在传业务信号，保护时隙为整个环专用；后者往往使用公用保护，即正常情况下保护段是空闲的，保护时隙由每对节点共享。通道倒换环还有一个优点，即可以有选择地决定某些通道保护，某些不保护。这样在实际网络中，由于往往有其他保护方式（诸如业务量路由分摊或DXC恢复）需要1+1保护的通道量并不很大，此时通道保护环就比较经济了；而当局间通信各节点之间均有较大业务量，而且节点需要较大的业务量分插能力时，具有较大业务量的双向复用段倒换环比较合适。
4 RPR与SDH保护机制的比较
RPR弹性分组环协议是一种新的MAC层协议，而SDH的保护属于物理层的技术。
传统的SDH网络需要环带宽的50%作为冗余，RPR则利用两个反向旋转的环来控制数据业务量，特别是采用了空间重用协议SRP。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。这样，多个节点可以同时收发分组，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。
RPR可提供不同等级的服务和不同等级的环网保护功能，这些都是SDH所不具备的。同时，RPR基于源路由倒换，而SDH基于复用段保护，在空间复用的支持下，基于源路由的环保护倒换可节省出SDH复用段保护倒换所经过的绕回处带宽。
通过上面的介绍我们不难看出，RPR的源路由保护和回绕保护方式，与SDH的通道保护、复用段环保护的工作方式有些类似。但两者在网络工作层次、保护控制方式、带宽利用率等方面都存在较大差异。所以在不同的情况下，研究采用何种保护机制并使之协调工作，将具有重要的意义。
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