摘要
網(wǎng)絡彈性已成為分組承載網(wǎng)絡的關鍵技術之一，本文討論了以太網(wǎng)保護協(xié)議基本機制，介紹了環(huán)網(wǎng)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(huán)網(wǎng)保護技術的發(fā)展趨勢。
1 引言
隨著以太網(wǎng)等數(shù)據(jù)技術向傳統(tǒng)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(fā)展。PBB-TE等電信級以太網(wǎng)技術(Carrier Ethernet )和MPLS-TE分組傳送網(wǎng)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(fā)展，這些都成為當前分組承載網(wǎng)的熱點技術。除了帶寬和控制面以外，另一項重要的特性——網(wǎng)絡彈性也日益成為重要關鍵技術之一。這是因為一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的傳輸網(wǎng)絡向著分組化方向發(fā)展，將原有的網(wǎng)絡保護特征帶到分組技術中，分組傳送網(wǎng)（PTN）仍希望擁有和SDH光網(wǎng)絡一樣的高可靠的快速保護特性；而另一方面，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)廠商開始增加網(wǎng)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(wǎng)（Carrier Ethernet）的應用特征。
對于網(wǎng)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(shù)據(jù)領域，最簡單的保護可以采用鏈路聚合協(xié)議，對于復雜拓撲，也可以應用生成樹協(xié)議（STP），但由于STP狀態(tài)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(xié)議仍無法達到電信級的倒換時間要求。起源于SDH網(wǎng)絡，并適合光纖部署的以太環(huán)網(wǎng)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(fā)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(wǎng)故障檢測機制和相對簡單靈活且易于實現(xiàn)的保護倒換協(xié)議，早期被一些設備制造商在一些匯聚網(wǎng)絡上商用，并在此基礎上不斷改進。隨著技術的發(fā)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(wǎng)保護技術，但這些技術并不能互通。
為了滿足城域網(wǎng)和匯聚網(wǎng)絡的以太網(wǎng)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(huán)網(wǎng)標準化的初期研究工作，目前已經(jīng)在CCSA已經(jīng)完成以太環(huán)網(wǎng)研究報告，繼續(xù)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(wǎng)的保護研究，并制定了兩個標準：G.8031，即關于以太網(wǎng)線形保護（Ethernet Linear Protection Switching）；G.8032，關于以太網(wǎng)環(huán)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(jīng)發(fā)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(huán)拓撲的以太網(wǎng)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(fā)布了第一個版本，這個發(fā)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(fā)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(wǎng)絡考慮采用G.8032。
3 以太環(huán)網(wǎng)保護技術介紹
環(huán)網(wǎng)保護是要對一個以太網(wǎng)環(huán)拓撲進行自動保護。在正常狀態(tài)下，要在環(huán)網(wǎng)內設置阻塞鏈路，以防止成環(huán)。當其他鏈路發(fā)生故障時間，這段阻塞鏈路打開，流量倒換到環(huán)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(huán)路保護鏈路（Ring Protection Link，RPL)，負責阻塞這段鏈路的節(jié)點稱之為RPL擁有節(jié)點（RPL Owner)。
3.1 基本保護機制
G.8032定義了2種狀態(tài)，空閑態(tài)（Idle state）及保護狀態(tài)（Protecting state）。前者是在沒有故障時的正常工作狀態(tài)，后者是檢測到鏈路發(fā)生故障后切換到保護的狀態(tài)。自動倒換保護是由以太網(wǎng)OAM的CC檢測到故障觸發(fā)的。故障消息的傳遞和倒換的控制協(xié)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(wěn)定性，定義了一個恢復定時器(WTR)，RPL擁有節(jié)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(huán)網(wǎng)倒換穩(wěn)定。
圖1 環(huán)網(wǎng)保護基本機制圖1 環(huán)網(wǎng)保護基本機制
●所有的節(jié)點在物理拓撲上以環(huán)的方式連接。
（2）當鏈路發(fā)生故障時啟動自動保護倒換（Protecting State）
●由于故障相臨的節(jié)點檢測到時鏈路故障。
（3）故障恢復時的倒換
●當故障恢復時，故障相鄰的節(jié)點繼續(xù)保持阻塞狀態(tài)，并發(fā)送R-APS(NR)消息，表示沒有本地故障請求（No Request)。
3.2 自動保護協(xié)議
自動保護協(xié)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(jié)點，RPL擁有者節(jié)點在指示其阻塞RPL端口時發(fā)R-APS(NR，RB)。
R-APS消息由Y.1731 OAM的公共區(qū)域進行定義。R-APS通過APS通道在環(huán)上傳輸，這是一個用于控制的VLAN通道，每個節(jié)點在二層網(wǎng)絡的轉發(fā)層對R-APS消息直接向下一個節(jié)點轉發(fā)，保證了快速倒換達到50ms的要求。
根據(jù)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(huán)保護的節(jié)點忽略這個值。對于圖2中R-APS Specific Information區(qū)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；
4 需要解決的問題和未來的發(fā)展
目前，G.8032 v1僅僅定義了單環(huán)的保護，多環(huán)正在討論之中，隨著技術的發(fā)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(xù)保持阻塞，在正常狀態(tài)下作為避免成環(huán)的常阻塞鏈路。
對于環(huán)網(wǎng)保護技術未來發(fā)展方向，我們覺得有3方面需要進一步發(fā)展，即多環(huán)保護、任意拓撲的保護及多域問題。
4.1 多環(huán)保護
多環(huán)問題正在ITU-T SG15討論，是未來要解決的問題，對于多環(huán)的保護，目前已經(jīng)出現(xiàn)了幾種不同模型的研究，包括共享鏈路（Share Link）模型和子環(huán)(Sub-link)模型。
第二種模型中，子環(huán)(Sub-Link)概念的引入把每個多環(huán)拓撲看成是由一個封閉的主環(huán)及多個非封閉的子環(huán)構成（見圖4）。每個子環(huán)都通過兩端的節(jié)點與其他的環(huán)或子環(huán)相連接。無論主環(huán)或子環(huán)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(huán)網(wǎng)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(huán)保護
4.2 任意拓撲的網(wǎng)絡保護
在子環(huán)(Sub-Link)概念的基礎上，可以進一步擴展，將子環(huán)使用單獨的保護協(xié)議。特別是R-APS消息在子環(huán)兩端的終結，并不需要閉合的環(huán)網(wǎng)。
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(wǎng)絡也可以看作是由多個環(huán)拓撲組成的，不再局限于環(huán)網(wǎng)，是比較通用的網(wǎng)絡保護協(xié)議。
對于R-APS消息要在子環(huán)兩端的終結，如果限定網(wǎng)絡保護僅支持非反轉模式，則R-APS協(xié)議可以得到簡化，也就是故障點恢復后繼續(xù)承擔避免成環(huán)的阻塞點，而不是重新阻塞RPL。這使得每個節(jié)點都完全對等，不需要有一個比較特殊的RPL擁有者節(jié)點及R-APS(NR，RB)消息。
從SDH環(huán)網(wǎng)保護的習慣出發(fā)，反轉模式比較常見，其優(yōu)點是可以設置多個邏輯環(huán)，根據(jù)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(wǎng)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(xié)議，阻塞點也是由STP計算出來，任何彈性保護協(xié)議的實質是一樣的，將特定的端口置于阻塞狀態(tài)來實現(xiàn)避免環(huán)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(huán)內。
4.3 多域保護
目前，大量的網(wǎng)絡應用是Overlay 模型，如何解決多環(huán)多域的問題是在組網(wǎng)中碰到的實際問題。解決多域的網(wǎng)絡保護問題也是未來技術的一個方向，比如接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的不同物理域、管理域或保護協(xié)議。圖5是一個典型的多域例子，在圖5中，802.1ad的PBN網(wǎng)是接入環(huán)網(wǎng)，核心網(wǎng)是一個802.3ah的PBBN網(wǎng)絡。PBN通過核心網(wǎng)絡BEB節(jié)點（B，C）經(jīng)802.1ad節(jié)點f，節(jié)點g接入到802.1ah的PBBN核心網(wǎng)中。A，D是PBBN網(wǎng)絡中的BCB節(jié)點。如果在PBN的S-VLAN及PBBN的B-VLAN/SID分別運行環(huán)網(wǎng)保護協(xié)議，這時碰到的難題是如何對跨環(huán)的流量進行保護。
圖5 多域網(wǎng)絡的保護
一種解決方案就是采用子環(huán)模型，將PBBN看成主環(huán)Ring 0；而PBN與PBBN的接口部分（NNI），看做一個子環(huán)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(huán)Sub Ring 2。在3個環(huán)分別設置RPL并運行R-APS環(huán)路保護協(xié)議，只有屬于本環(huán)或本子環(huán)的鏈路出現(xiàn)故障才引起本環(huán)或本子環(huán)RPL的倒換。
對于不同的協(xié)議域對接的情況，特別是以太環(huán)網(wǎng)保護和生成樹協(xié)議的互通，也是未來研究和完善的主要內容。子環(huán)拓撲發(fā)生變化時，應該通知相鄰的上層網(wǎng)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(wǎng)絡保護協(xié)議互通成為可能。
圖5的例子中PBBN也可以運行生成樹協(xié)議，如果子網(wǎng)Sub Ring1出現(xiàn)故障倒換，其拓撲變化的信息，如果能通知PBBN網(wǎng)絡的生成樹協(xié)議，可以使得上層網(wǎng)絡正確地對FDB進行刷新。
5 結束語
從保護上看，環(huán)網(wǎng)保護技術有天然的優(yōu)勢，單環(huán)形拓撲是最簡潔的具備冗余的拓撲結構。但單環(huán)網(wǎng)能夠承載的流量受限于環(huán)鏈路帶寬，擴展性也比較差。隨著對多環(huán)的研究，網(wǎng)絡保護已經(jīng)由單個環(huán)網(wǎng)向復雜拓撲發(fā)展，向更加通用的網(wǎng)絡保護協(xié)議發(fā)展，解決多域保護，多協(xié)議互通的問題是網(wǎng)絡彈性技術的趨勢，也將使以太網(wǎng)的電信級應用更加成熟。
