摘要

    網(wǎng)絡(luò)彈性已成為分組承載網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，本文討論了以太網(wǎng)保護(hù)協(xié)議基本機(jī)制，介紹了環(huán)網(wǎng)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的最新進(jìn)展，同時(shí)研究了目前標(biāo)準(zhǔn)中尚未解決的問(wèn)題，探討了環(huán)網(wǎng)保護(hù)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

    1  引言

    隨著以太網(wǎng)等數(shù)據(jù)技術(shù)向傳統(tǒng)電信領(lǐng)域的滲透，分組和傳輸技術(shù)在相互交融中得到快速發(fā)展。PBB-TE等電信級(jí)以太網(wǎng)技術(shù)(Carrier Ethernet )和MPLS-TE分組傳送網(wǎng)技術(shù)（Packet Transport Network）也加快了標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，并推動(dòng)著高帶寬（100GE）和WDM多層多域(Multi-Layer Multi-Region)控制技術(shù)的發(fā)展，這些都成為當(dāng)前分組承載網(wǎng)的熱點(diǎn)技術(shù)。除了帶寬和控制面以外，另一項(xiàng)重要的特性——網(wǎng)絡(luò)彈性也日益成為重要關(guān)鍵技術(shù)之一。這是因?yàn)橐环矫鎮(zhèn)鹘y(tǒng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)向著分組化方向發(fā)展，將原有的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)特征帶到分組技術(shù)中，分組傳送網(wǎng)（PTN）仍希望擁有和SDH光網(wǎng)絡(luò)一樣的高可靠的快速保護(hù)特性；而另一方面，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)廠商開(kāi)始增加網(wǎng)絡(luò)保護(hù)功能，通過(guò)達(dá)到50ms倒換時(shí)間的要求，滿足電信級(jí)以太網(wǎng)（Carrier Ethernet）的應(yīng)用特征。

    對(duì)于網(wǎng)絡(luò)彈性來(lái)說(shuō)，任何一種保護(hù)技術(shù)，越是簡(jiǎn)單可靠，其大量應(yīng)用的機(jī)會(huì)就越高。雖然在數(shù)據(jù)領(lǐng)域，最簡(jiǎn)單的保護(hù)可以采用鏈路聚合協(xié)議，對(duì)于復(fù)雜拓?fù)洌�也可以�?yīng)用生成樹(shù)協(xié)議（STP），但由于STP狀態(tài)躍遷的緩慢，收斂時(shí)間較長(zhǎng)，雖然RSTP對(duì)此進(jìn)行了改進(jìn)，縮短收斂時(shí)間，但生成樹(shù)協(xié)議仍無(wú)法達(dá)到電信級(jí)的倒換時(shí)間要求。起源于SDH網(wǎng)絡(luò)，并適合光纖部署的以太環(huán)網(wǎng)保護(hù)技術(shù)，則能完成快速倒換以滿足電信級(jí)要求，日益顯示出其應(yīng)用前景。

    2  標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)展

    最早Extreme 公司在2003年就提出了EAPS保護(hù)技術(shù)，并在IETF發(fā)布了RFC3619，雖然只是報(bào)告（Informational）性質(zhì)而不是標(biāo)準(zhǔn)，但采用Hello幀等簡(jiǎn)單的以太網(wǎng)故障檢測(cè)機(jī)制和相對(duì)簡(jiǎn)單靈活且易于實(shí)現(xiàn)的保護(hù)倒換協(xié)議，早期被一些設(shè)備制造商在一些匯聚網(wǎng)絡(luò)上商用，并在此基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)。隨著技術(shù)的發(fā)展，后期各個(gè)廠家又衍生出多個(gè)私有的技術(shù)，比如ZESR，RRPP，ERP，MSR等以太網(wǎng)保護(hù)技術(shù)，但這些技術(shù)并不能互通。

    為了滿足城域網(wǎng)和匯聚網(wǎng)絡(luò)的以太網(wǎng)保護(hù)要求，標(biāo)準(zhǔn)化需求開(kāi)始變的比較迫切。在國(guó)內(nèi)，2006年CCSA開(kāi)始了以太環(huán)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)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(bào)告，繼續(xù)開(kāi)始正式標(biāo)準(zhǔn)的制訂。

    在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)方面，ITU-T的SG15工作組，在EOT框架基礎(chǔ)上，開(kāi)展了對(duì)以太網(wǎng)的保護(hù)研究，并制定了兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：G.8031，即關(guān)于以太網(wǎng)線形保護(hù)（Ethernet Linear Protection Switching）；G.8032，關(guān)于以太網(wǎng)環(huán)路保護(hù)（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(zhuǎn)（Revertive）和非反轉(zhuǎn)（Non-Revertive）模式下的線性保護(hù)切換。G.8031在2006年6月公布了正式版本，隨后進(jìn)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(huì)上被批準(zhǔn)。

    G.8032定義了環(huán)拓?fù)涞囊蕴�網(wǎng)自動(dòng)保護(hù)切換機(jī)制。ITU-T從2006年2月立項(xiàng)開(kāi)始研究，在2008年3月成功發(fā)布了第一個(gè)版本，這個(gè)發(fā)布的版本比較簡(jiǎn)單并具有較好的可靠性。G.8032的第一個(gè)版本發(fā)布后，獲得了很多廠商和運(yùn)營(yíng)商的關(guān)注，一些運(yùn)營(yíng)商表示將來(lái)建設(shè)城域網(wǎng)絡(luò)考慮采用G.8032。

    3  以太環(huán)網(wǎng)保護(hù)技術(shù)介紹

    環(huán)網(wǎng)保護(hù)是要對(duì)一個(gè)以太網(wǎng)環(huán)拓?fù)溥M(jìn)行自動(dòng)保護(hù)。在正常狀態(tài)下，要在環(huán)網(wǎng)內(nèi)設(shè)置阻塞鏈路，以防止成環(huán)。當(dāng)其他鏈路發(fā)生故障時(shí)間，這段阻塞鏈路打開(kāi)，流量倒換到環(huán)上的另一側(cè)路徑從而進(jìn)行倒換保護(hù)。在G.8032 中，這段鏈路并稱為環(huán)路保護(hù)鏈路（Ring Protection Link，RPL)，負(fù)責(zé)阻塞這段鏈路的節(jié)點(diǎn)稱之為RPL擁有節(jié)點(diǎn)（RPL Owner)。

    3.1  基本保護(hù)機(jī)制

    G.8032定義了2種狀態(tài)，空閑態(tài)（Idle state）及保護(hù)狀態(tài)（Protecting state）。前者是在沒(méi)有故障時(shí)的正常工作狀態(tài)，后者是檢測(cè)到鏈路發(fā)生故障后切換到保護(hù)的狀態(tài)。自動(dòng)倒換保護(hù)是由以太網(wǎng)OAM的CC檢測(cè)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(dòng)保護(hù)倒換通道（APS Channel）中進(jìn)行的。當(dāng)故障恢復(fù)時(shí)，G.8032為了保證對(duì)倒換的穩(wěn)定性，定義了一個(gè)恢復(fù)定時(shí)器(WTR)，RPL擁有節(jié)點(diǎn)在收到故障告警恢復(fù)消息后，必須等待WTR耗盡時(shí)才倒換回去，即在重新阻塞RPL前等待一段延時(shí)，確定環(huán)網(wǎng)倒換穩(wěn)定。
如圖1所示，狀態(tài)遷移和保護(hù)倒換的步驟如下：

圖1  環(huán)網(wǎng)保護(hù)基本機(jī)制圖1 環(huán)網(wǎng)保護(hù)基本機(jī)制

 
    （1）正常狀態(tài)下環(huán)路處于空閑態(tài)（Idle）

    ●所有的節(jié)點(diǎn)在物理拓?fù)渖弦原h(huán)的方式連接。
    ●環(huán)路保護(hù)協(xié)議通過(guò)阻塞RPL鏈路，確保不會(huì)成環(huán)(Loop)，比如圖1中A，B節(jié)點(diǎn)間的鏈路為RPL。
    ●相臨節(jié)點(diǎn)對(duì)每條鏈路都使用的以太網(wǎng)OAM中的CC幀進(jìn)行監(jiān)視。
    ●采用Y.1731定義的信號(hào)故障（SF)類(lèi)型觸發(fā)環(huán)路保護(hù)倒換，這些故障包括連接性丟失或者服務(wù)層故障。

    （2）當(dāng)鏈路發(fā)生故障時(shí)啟動(dòng)自動(dòng)保護(hù)倒換（Protecting State）

    ●由于故障相臨的節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到時(shí)鏈路故障。
    ●與故障鏈路相臨的節(jié)點(diǎn)對(duì)故障鏈路進(jìn)行阻塞，并使用R-APS(SF)消息向環(huán)上的其他節(jié)點(diǎn)報(bào)告故障。如圖1中E，D間鏈路故障，E和D分別向環(huán)網(wǎng)上各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送R-APS(SF)消息。
    ●R-APS(SF)消息觸發(fā)RPL擁有節(jié)點(diǎn)打開(kāi)RPL端口。R-APS(SF)消息還觸發(fā)所有的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行FDB刷地址，然后節(jié)點(diǎn)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)（Protecting）。

    （3）故障恢復(fù)時(shí)的倒換

    ●當(dāng)故障恢復(fù)時(shí)，故障相鄰的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)保持阻塞狀態(tài)，并發(fā)送R-APS(NR)消息，表示沒(méi)有本地故障請(qǐng)求（No Request)。
    ●當(dāng)RPL擁有節(jié)點(diǎn)收到第一個(gè)R-APS(NR)消息后，開(kāi)始啟動(dòng)WTR定時(shí)器。
    ●當(dāng)WTR定時(shí)器耗盡后，RPL擁有節(jié)點(diǎn)阻塞RPL，并發(fā)送R-APS(NR，RB)消息。
    ●其他節(jié)點(diǎn)收到這個(gè)消息后，刷新FDB，發(fā)送R-APS(NR)消息的那個(gè)節(jié)點(diǎn)停止周期性發(fā)送消息，并打開(kāi)原先阻塞的端口。
    ●鏈路節(jié)點(diǎn)回到空閑狀態(tài)（Idle）。

    3.2  自動(dòng)保護(hù)協(xié)議

    自動(dòng)保護(hù)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(fù)消息R-APS(NR)。在R-APS(NR)消息中，對(duì)于RPL擁有節(jié)點(diǎn)，RPL擁有者節(jié)點(diǎn)在指示其阻塞RPL端口時(shí)發(fā)R-APS(NR，RB)。

    R-APS消息由Y.1731 OAM的公共區(qū)域進(jìn)行定義。R-APS通過(guò)APS通道在環(huán)上傳輸，這是一個(gè)用于控制的VLAN通道，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在二層網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)層對(duì)R-APS消息直接向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，保證了快速倒換達(dá)到50ms的要求。

    根據(jù)G.8032對(duì)R-APS進(jìn)行的定義（見(jiàn)圖2），Version G.8032 v1版本定義為0；OpCode定義為40；Flags，“00000000”環(huán)保護(hù)的節(jié)點(diǎn)忽略這個(gè)值。對(duì)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(lái)用；
    （2）Status RB(1bit)：當(dāng)RPL阻塞的時(shí)候設(shè)置為1（在NR消息中由RPL擁有節(jié)點(diǎn)使用)；
    （3）Status DNF(1bit)：如果不需要刷新FDB，則設(shè)為1(將來(lái)使用)；
    （4）NodeID (6octets)：消息源節(jié)點(diǎn)的MAC Address(作為Informational)；
    （5）Reserved1(4bits)，Status Reserved(6bits)，Reserved2(24octets)：將來(lái)擴(kuò)展用。

    4  需要解決的問(wèn)題和未來(lái)的發(fā)展

    目前，G.8032 v1僅僅定義了單環(huán)的保護(hù)，多環(huán)正在討論之中，隨著技術(shù)的發(fā)展，下列問(wèn)題還有待進(jìn)一步在標(biāo)準(zhǔn)中解決：

    （1）增加對(duì)非反轉(zhuǎn)模式（Non-Revertive Mode）的研究。也就是故障恢復(fù)后，不倒換到回阻塞RPL，而是對(duì)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。
    （2）增加對(duì)手工倒換等用戶管理能力。
    （3）優(yōu)化協(xié)議中對(duì)FDB刷地址的操作，主要是針對(duì)多點(diǎn)故障恢復(fù)時(shí)刷地址的優(yōu)化。
    （4）增加對(duì)多域保護(hù)的支持。
    （5）與其他保護(hù)協(xié)議（如生存樹(shù)）的互通支持。

    對(duì)于環(huán)網(wǎng)保護(hù)技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向，我們覺(jué)得有3方面需要進(jìn)一步發(fā)展，即多環(huán)保護(hù)、任意拓?fù)涞谋Ｗo(hù)及多域問(wèn)題。

    4.1  多環(huán)保護(hù)

    多環(huán)問(wèn)題正在ITU-T SG15討論，是未來(lái)要解決的問(wèn)題，對(duì)于多環(huán)的保護(hù)，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。
第一種模型中，將多環(huán)中的各個(gè)環(huán)拓?fù)渲付ǔ刹煌瑑?yōu)先級(jí)，環(huán)與環(huán)之間的相交鏈路為各自共享，對(duì)于環(huán)中非共享鏈路的發(fā)生故障，會(huì)觸發(fā)該故障所在環(huán)的保護(hù)倒換，而對(duì)于共享鏈路的故障，通過(guò)比較優(yōu)先級(jí)，則觸發(fā)共享鏈路所連接的高優(yōu)先級(jí)的環(huán)進(jìn)行保護(hù)倒換，將那個(gè)環(huán)的RPL鏈路端口打開(kāi)。這種機(jī)制依賴多環(huán)優(yōu)先級(jí)的固定分配，確保多環(huán)結(jié)構(gòu)正確倒換，避免形成超環(huán)。

    第二種模型中，子環(huán)(Sub-Link)概念的引入把每個(gè)多環(huán)拓?fù)淇闯墒怯梢粋�(gè)封閉的主環(huán)及多個(gè)非封閉的子環(huán)構(gòu)成（見(jiàn)圖4）。每個(gè)子環(huán)都通過(guò)兩端的節(jié)點(diǎn)與其他的環(huán)或子環(huán)相連接。無(wú)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(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，應(yīng)用范圍更廣，圖4顯示了和生成樹(shù)的對(duì)比。

圖4  多環(huán)保護(hù)

    4.2  任意拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)保護(hù)

    在子環(huán)(Sub-Link)概念的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步擴(kuò)展，將子環(huán)使用單獨(dú)的保護(hù)協(xié)議。特別是R-APS消息在子環(huán)兩端的終結(jié)，并不需要閉合的環(huán)網(wǎng)。

    這個(gè)結(jié)構(gòu)可以增加靈活復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在某種意義上，Mesh結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)也可以看作是由多個(gè)環(huán)拓?fù)浣M成的，不再局限于環(huán)網(wǎng)，是比較通用的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)協(xié)議。

    對(duì)于R-APS消息要在子環(huán)兩端的終結(jié)，如果限定網(wǎng)絡(luò)保護(hù)僅支持非反轉(zhuǎn)模式，則R-APS協(xié)議可以得到簡(jiǎn)化，也就是故障點(diǎn)恢復(fù)后繼續(xù)承擔(dān)避免成環(huán)的阻塞點(diǎn)，而不是重新阻塞RPL。這使得每個(gè)節(jié)點(diǎn)都完全對(duì)等，不需要有一個(gè)比較特殊的RPL擁有者節(jié)點(diǎn)及R-APS(NR，RB)消息。

    從SDH環(huán)網(wǎng)保護(hù)的習(xí)慣出發(fā)，反轉(zhuǎn)模式比較常見(jiàn)，其優(yōu)點(diǎn)是可以設(shè)置多個(gè)邏輯環(huán)，根據(jù)用戶流量和帶寬把阻塞點(diǎn)放置在不同的位置，支持每組VLAN的帶寬負(fù)載平衡。對(duì)于僅僅支持非反轉(zhuǎn)模式，常阻塞點(diǎn)的位置和網(wǎng)絡(luò)流量的拓?fù)渥兓瘜�顯的“不可控”。但事實(shí)上，相對(duì)于生成樹(shù)協(xié)議，阻塞點(diǎn)也是由STP計(jì)算出來(lái)，任何彈性保護(hù)協(xié)議的實(shí)質(zhì)是一樣的，將特定的端口置于阻塞狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)避免環(huán)路又有冗余路徑。在這里，無(wú)論拓?fù)淙绾巫兓�，阻塞點(diǎn)總是落在限定的子環(huán)內(nèi)。

    4.3  多域保護(hù)

    目前，大量的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用是Overlay 模型，如何解決多環(huán)多域的問(wèn)題是在組網(wǎng)中碰到的實(shí)際問(wèn)題。解決多域的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)問(wèn)題也是未來(lái)技術(shù)的一個(gè)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(hù)協(xié)議。圖5是一個(gè)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(gè)802.3ah的PBBN網(wǎng)絡(luò)。PBN通過(guò)核心網(wǎng)絡(luò)BEB節(jié)點(diǎn)（B，C）經(jīng)802.1ad節(jié)點(diǎn)f，節(jié)點(diǎn)g接入到802.1ah的PBBN核心網(wǎng)中。A，D是PBBN網(wǎng)絡(luò)中的BCB節(jié)點(diǎn)。如果在PBN的S-VLAN及PBBN的B-VLAN/SID分別運(yùn)行環(huán)網(wǎng)保護(hù)協(xié)議，這時(shí)碰到的難題是如何對(duì)跨環(huán)的流量進(jìn)行保護(hù)。

圖5  多域網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)

    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(gè)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(gè)子環(huán)Sub Ring 2。在3個(gè)環(huán)分別設(shè)置RPL并運(yùn)行R-APS環(huán)路保護(hù)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(duì)于不同的協(xié)議域?qū)�接的情況，特別是以太環(huán)網(wǎng)保護(hù)和生成樹(shù)協(xié)議的互通，也是未來(lái)研究和完善的主要內(nèi)容。子環(huán)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)，應(yīng)該通知相鄰的上層網(wǎng)絡(luò)其拓?fù)涞淖兓�信��，這個(gè)接口消息未來(lái)需要進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化才能使多個(gè)網(wǎng)絡(luò)保護(hù)協(xié)議互通成為可能。

    圖5的例子中PBBN也可以運(yùn)行生成樹(shù)協(xié)議，如果子網(wǎng)Sub Ring1出現(xiàn)故障倒換，其拓?fù)渥兓�的信��，如果能通知PBBN網(wǎng)絡(luò)的生成樹(shù)協(xié)議，可以使得上層網(wǎng)絡(luò)正確地對(duì)FDB進(jìn)行刷新。
多保護(hù)協(xié)議之間的互通，給運(yùn)營(yíng)商或企業(yè)網(wǎng)絡(luò)提供了更多的選擇，可以靈活地配置不同的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)協(xié)議。

    5  結(jié)束語(yǔ)

    從保護(hù)上看，環(huán)網(wǎng)保護(hù)技術(shù)有天然的優(yōu)勢(shì)，單環(huán)形拓?fù)涫亲詈?jiǎn)潔的具備冗余的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但單環(huán)網(wǎng)能夠承載的流量受限于環(huán)鏈路帶寬，擴(kuò)展性也比較差。隨著對(duì)多環(huán)的研究，網(wǎng)絡(luò)保護(hù)已經(jīng)由單個(gè)環(huán)網(wǎng)向復(fù)雜拓?fù)浒l(fā)展，向更加通用的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)協(xié)議發(fā)展，解決多域保護(hù)，多協(xié)議互通的問(wèn)題是網(wǎng)絡(luò)彈性技術(shù)的趨勢(shì)，也將使以太網(wǎng)的電信級(jí)應(yīng)用更加成熟。