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    摘要

    網絡彈性已成為分組承載網絡的關鍵技術之一，本文討論了以太網保護協議基本機制，介紹了環網保護標準的最新進展，同時研究了目前標準中尚未解決的問題，探討了環網保護技術的發展趨勢。

    1  引言

    隨著以太網等數據技術向傳統電信領域的滲透，分組和傳輸技術在相互交融中得到快速發展。PBB-TE等電信級以太網技術(Carrier Ethernet )和MPLS-TE分組傳送網技術（Packet Transport Network）也加快了標準化進程，并推動著高帶寬（100GE）和WDM多層多域(Multi-Layer Multi-Region)控制技術的發展，這些都成為當前分組承載網的熱點技術。除了帶寬和控制面以外，另一項重要的特性——網絡彈性也日益成為重要關鍵技術之一。這是因為一方面傳統的傳輸網絡向著分組化方向發展，將原有的網絡保護特征帶到分組技術中，分組傳送網（PTN）仍希望擁有和SDH光網絡一樣的高可靠的快速保護特性；而另一方面，傳統的數據廠商開始增加網絡保護功能，通過達到50ms倒換時間的要求，滿足電信級以太網（Carrier Ethernet）的應用特征。

    對于網絡彈性來說，任何一種保護技術，越是簡單可靠，其大量應用的機會就越高。雖然在數據領域，最簡單的保護可以采用鏈路聚合協議，對于復雜拓撲，也可以應用生成樹協議（STP），但由于STP狀態躍遷的緩慢，收斂時間較長，雖然RSTP對此進行了改進，縮短收斂時間，但生成樹協議仍無法達到電信級的倒換時間要求。起源于SDH網絡，并適合光纖部署的以太環網保護技術，則能完成快速倒換以滿足電信級要求，日益顯示出其應用前景。

    2  標準的進展

    最早Extreme 公司在2003年就提出了EAPS保護技術，并在IETF發布了RFC3619，雖然只是報告（Informational）性質而不是標準，但采用Hello幀等簡單的以太網故障檢測機制和相對簡單靈活且易于實現的保護倒換協議，早期被一些設備制造商在一些匯聚網絡上商用，并在此基礎上不斷改進。隨著技術的發展，后期各個廠家又衍生出多個私有的技術，比如ZESR，RRPP，ERP，MSR等以太網保護技術，但這些技術并不能互通。

    為了滿足城域網和匯聚網絡的以太網保護要求，標準化需求開始變的比較迫切。在國內，2006年CCSA開始了以太環網標準化的初期研究工作，目前已經在CCSA已經完成以太環網研究報告，繼續開始正式標準的制訂。

    在國際標準方面，ITU-T的SG15工作組，在EOT框架基礎上，開展了對以太網的保護研究，并制定了兩個標準：G.8031，即關于以太網線形保護（Ethernet Linear Protection Switching）；G.8032，關于以太網環路保護（Ethernet Ring Protection Switching）。

    G.8031定義了1+1雙向，1+1單向和1：1雙向在反轉（Revertive）和非反轉（Non-Revertive）模式下的線性保護切換。G.8031在2006年6月公布了正式版本，隨后進行了一系列的修訂，其中2007年10月的第一次修訂版本已經發布，最近的一次修訂在2008年2月的ITU-T SG15全會上被批準。

    G.8032定義了環拓撲的以太網自動保護切換機制。ITU-T從2006年2月立項開始研究，在2008年3月成功發布了第一個版本，這個發布的版本比較簡單并具有較好的可靠性。G.8032的第一個版本發布后，獲得了很多廠商和運營商的關注，一些運營商表示將來建設城域網絡考慮采用G.8032。

    3  以太環網保護技術介紹

    環網保護是要對一個以太網環拓撲進行自動保護。在正常狀態下，要在環網內設置阻塞鏈路，以防止成環。當其他鏈路發生故障時間，這段阻塞鏈路打開，流量倒換到環上的另一側路徑從而進行倒換保護。在G.8032 中，這段鏈路并稱為環路保護鏈路（Ring Protection Link，RPL)，負責阻塞這段鏈路的節點稱之為RPL擁有節點（RPL Owner)。

    3.1  基本保護機制

    G.8032定義了2種狀態，空閑態（Idle state）及保護狀態（Protecting state）。前者是在沒有故障時的正常工作狀態，后者是檢測到鏈路發生故障后切換到保護的狀態。自動倒換保護是由以太網OAM的CC檢測到故障觸發的。故障消息的傳遞和倒換的控制協議的傳遞是采用自動保護倒換通道（APS Channel）中進行的。當故障恢復時，G.8032為了保證對倒換的穩定性，定義了一個恢復定時器(WTR)，RPL擁有節點在收到故障告警恢復消息后，必須等待WTR耗盡時才倒換回去，即在重新阻塞RPL前等待一段延時，確定環網倒換穩定。
如圖1所示，狀態遷移和保護倒換的步驟如下：

圖1  環網保護基本機制圖1 環網保護基本機制

 
    （1）正常狀態下環路處于空閑態（Idle）

    ●所有的節點在物理拓撲上以環的方式連接。
    ●環路保護協議通過阻塞RPL鏈路，確保不會成環(Loop)，比如圖1中A，B節點間的鏈路為RPL。
    ●相臨節點對每條鏈路都使用的以太網OAM中的CC幀進行監視。
    ●采用Y.1731定義的信號故障（SF)類型觸發環路保護倒換，這些故障包括連接性丟失或者服務層故障。

    （2）當鏈路發生故障時啟動自動保護倒換（Protecting State）

    ●由于故障相臨的節點檢測到時鏈路故障。
    ●與故障鏈路相臨的節點對故障鏈路進行阻塞，并使用R-APS(SF)消息向環上的其他節點報告故障。如圖1中E，D間鏈路故障，E和D分別向環網上各個節點發送R-APS(SF)消息。
    ●R-APS(SF)消息觸發RPL擁有節點打開RPL端口。R-APS(SF)消息還觸發所有的節點進行FDB刷地址，然后節點進入保護狀態（Protecting）。

    （3）故障恢復時的倒換

    ●當故障恢復時，故障相鄰的節點繼續保持阻塞狀態，并發送R-APS(NR)消息，表示沒有本地故障請求（No Request)。
    ●當RPL擁有節點收到第一個R-APS(NR)消息后，開始啟動WTR定時器。
    ●當WTR定時器耗盡后，RPL擁有節點阻塞RPL，并發送R-APS(NR，RB)消息。
    ●其他節點收到這個消息后，刷新FDB，發送R-APS(NR)消息的那個節點停止周期性發送消息，并打開原先阻塞的端口。
    ●鏈路節點回到空閑狀態（Idle）。

    3.2  自動保護協議

    自動保護協議消息（Ring APS Messages，R-APS）定義了兩種基本消息：鏈路故障消息R-APS (SF)和鏈路恢復消息R-APS(NR)。在R-APS(NR)消息中，對于RPL擁有節點，RPL擁有者節點在指示其阻塞RPL端口時發R-APS(NR，RB)。

    R-APS消息由Y.1731 OAM的公共區域進行定義。R-APS通過APS通道在環上傳輸，這是一個用于控制的VLAN通道，每個節點在二層網絡的轉發層對R-APS消息直接向下一個節點轉發，保證了快速倒換達到50ms的要求。

    根據G.8032對R-APS進行的定義（見圖2），Version G.8032 v1版本定義為0；OpCode定義為40；Flags，“00000000”環保護的節點忽略這個值。對于圖2中R-APS Specific Information區域的定義了圖3所示的信息。其中：

圖2  R-APS消息格式

圖3  R-APS中的特有信息

    （1）Request/Status(4bits)：“1011”=SF；“0000”=NR；Other=將來用；
    （2）Status RB(1bit)：當RPL阻塞的時候設置為1（在NR消息中由RPL擁有節點使用)；
    （3）Status DNF(1bit)：如果不需要刷新FDB，則設為1(將來使用)；
    （4）NodeID (6octets)：消息源節點的MAC Address(作為Informational)；
    （5）Reserved1(4bits)，Status Reserved(6bits)，Reserved2(24octets)：將來擴展用。

    4  需要解決的問題和未來的發展

    目前，G.8032 v1僅僅定義了單環的保護，多環正在討論之中，隨著技術的發展，下列問題還有待進一步在標準中解決：

    （1）增加對非反轉模式（Non-Revertive Mode）的研究。也就是故障恢復后，不倒換到回阻塞RPL，而是對故障鏈路繼續保持阻塞，在正常狀態下作為避免成環的常阻塞鏈路。
    （2）增加對手工倒換等用戶管理能力。
    （3）優化協議中對FDB刷地址的操作，主要是針對多點故障恢復時刷地址的優化。
    （4）增加對多域保護的支持。
    （5）與其他保護協議（如生存樹）的互通支持。

    對于環網保護技術未來發展方向，我們覺得有3方面需要進一步發展，即多環保護、任意拓撲的保護及多域問題。

    4.1  多環保護

    多環問題正在ITU-T SG15討論，是未來要解決的問題，對于多環的保護，目前已經出現了幾種不同模型的研究，包括共享鏈路（Share Link）模型和子環(Sub-link)模型。
第一種模型中，將多環中的各個環拓撲指定成不同優先級，環與環之間的相交鏈路為各自共享，對于環中非共享鏈路的發生故障，會觸發該故障所在環的保護倒換，而對于共享鏈路的故障，通過比較優先級，則觸發共享鏈路所連接的高優先級的環進行保護倒換，將那個環的RPL鏈路端口打開。這種機制依賴多環優先級的固定分配，確保多環結構正確倒換，避免形成超環。

    第二種模型中，子環(Sub-Link)概念的引入把每個多環拓撲看成是由一個封閉的主環及多個非封閉的子環構成（見圖4）。每個子環都通過兩端的節點與其他的環或子環相連接。無論主環或子環中都必須要有至少一條RPL阻塞鏈路。這種模型可以支持任意多環網絡的拓撲結構，應用范圍更廣，圖4顯示了和生成樹的對比。

圖4  多環保護

    4.2  任意拓撲的網絡保護

    在子環(Sub-Link)概念的基礎上，可以進一步擴展，將子環使用單獨的保護協議。特別是R-APS消息在子環兩端的終結，并不需要閉合的環網。

    這個結構可以增加靈活復雜的拓撲結構。在某種意義上，Mesh結構的網絡也可以看作是由多個環拓撲組成的，不再局限于環網，是比較通用的網絡保護協議。

    對于R-APS消息要在子環兩端的終結，如果限定網絡保護僅支持非反轉模式，則R-APS協議可以得到簡化，也就是故障點恢復后繼續承擔避免成環的阻塞點，而不是重新阻塞RPL。這使得每個節點都完全對等，不需要有一個比較特殊的RPL擁有者節點及R-APS(NR，RB)消息。

    從SDH環網保護的習慣出發，反轉模式比較常見，其優點是可以設置多個邏輯環，根據用戶流量和帶寬把阻塞點放置在不同的位置，支持每組VLAN的帶寬負載平衡。對于僅僅支持非反轉模式，常阻塞點的位置和網絡流量的拓撲變化將顯的“不可控”。但事實上，相對于生成樹協議，阻塞點也是由STP計算出來，任何彈性保護協議的實質是一樣的，將特定的端口置于阻塞狀態來實現避免環路又有冗余路徑。在這里，無論拓撲如何變化，阻塞點總是落在限定的子環內。

    4.3  多域保護

    目前，大量的網絡應用是Overlay 模型，如何解決多環多域的問題是在組網中碰到的實際問題。解決多域的網絡保護問題也是未來技術的一個方向，比如接入網和核心網的不同物理域、管理域或保護協議。圖5是一個典型的多域例子，在圖5中，802.1ad的PBN網是接入環網，核心網是一個802.3ah的PBBN網絡。PBN通過核心網絡BEB節點（B，C）經802.1ad節點f，節點g接入到802.1ah的PBBN核心網中。A，D是PBBN網絡中的BCB節點。如果在PBN的S-VLAN及PBBN的B-VLAN/SID分別運行環網保護協議，這時碰到的難題是如何對跨環的流量進行保護。

圖5  多域網絡的保護

    一種解決方案就是采用子環模型，將PBBN看成主環Ring 0；而PBN與PBBN的接口部分（NNI），看做一個子環Sub Ring 1，即鏈路B-f-g-C；PBN的鏈路f-h-i-j看做另一個子環Sub Ring 2。在3個環分別設置RPL并運行R-APS環路保護協議，只有屬于本環或本子環的鏈路出現故障才引起本環或本子環RPL的倒換。

    對于不同的協議域對接的情況，特別是以太環網保護和生成樹協議的互通，也是未來研究和完善的主要內容。子環拓撲發生變化時，應該通知相鄰的上層網絡其拓撲的變化信息，這個接口消息未來需要進一步標準化才能使多個網絡保護協議互通成為可能。

    圖5的例子中PBBN也可以運行生成樹協議，如果子網Sub Ring1出現故障倒換，其拓撲變化的信息，如果能通知PBBN網絡的生成樹協議，可以使得上層網絡正確地對FDB進行刷新。
多保護協議之間的互通，給運營商或企業網絡提供了更多的選擇，可以靈活地配置不同的網絡保護協議。

    5  結束語

    從保護上看，環網保護技術有天然的優勢，單環形拓撲是最簡潔的具備冗余的拓撲結構。但單環網能夠承載的流量受限于環鏈路帶寬，擴展性也比較差。隨著對多環的研究，網絡保護已經由單個環網向復雜拓撲發展，向更加通用的網絡保護協議發展，解決多域保護，多協議互通的問題是網絡彈性技術的趨勢，也將使以太網的電信級應用更加成熟。