以太网弹性技术及发展

摘要

网络弹性已成为分组承载网络的关键技术之一，本文讨论了以太网保护协议基本机制，介绍了环网保护标准的最新进展，同时研究了目前标准中尚未解决的问题，探讨了环网保护技术的发展趋势。

1  引言

随着以太网等数据技术向传统电信领域的渗透，分组和传输技术在相互交融中得到快速发展。PBB-TE等电信级以太网技术(Carrier Ethernet )和MPLS-TE分组传送网技术（Packet Transport Network）也加快了标准化进程，并推动着高带宽（100GE）和WDM多层多域(Multi-Layer Multi-Region)控制技术的发展，这些都成为当前分组承载网的热点技术。除了带宽和控制面以外，另一项重要的特性——网络弹性也日益成为重要关键技术之一。这是因为一方面传统的传输网络向着分组化方向发展，将原有的网络保护特征带到分组技术中，分组传送网（PTN）仍希望拥有和SDH光网络一样的高可靠的快速保护特性；而另一方面，传统的数据厂商开始增加网络保护功能，通过达到50ms倒换时间的要求，满足电信级以太网（Carrier Ethernet）的应用特征。

对于网络弹性来说，任何一种保护技术，越是简单可靠，其大量应用的机会就越高。虽然在数据领域，最简单的保护可以采用链路聚合协议，对于复杂拓扑，也可以应用生成树协议（STP），但由于STP状态跃迁的缓慢，收敛时间较长，虽然RSTP对此进行了改进，缩短收敛时间，但生成树协议仍无法达到电信级的倒换时间要求。起源于SDH网络，并适合光纤部署的以太环网保护技术，则能完成快速倒换以满足电信级要求，日益显示出其应用前景。

2  标准的进展

最早Extreme 公司在2003年就提出了EAPS保护技术，并在IETF发布了RFC3619，虽然只是报告（Informational）性质而不是标准，但采用Hello帧等简单的以太网故障检测机制和相对简单灵活且易于实现的保护倒换协议，早期被一些设备制造商在一些汇聚网络上商用，并在此基础上不断改进。随着技术的发展，后期各个厂家又衍生出多个私有的技术，比如ZESR，RRPP，ERP，MSR等以太网保护技术，但这些技术并不能互通。

为了满足城域网和汇聚网络的以太网保护要求，标准化需求开始变的比较迫切。在国内，2006年CCSA开始了以太环网标准化的初期研究工作，目前已经在CCSA已经完成以太环网研究报告，继续开始正式标准的制订。

在国际标准方面，ITU-T的SG15工作组，在EOT框架基础上，开展了对以太网的保护研究，并制定了两个标准：G.8031，即关于以太网线形保护（Ethernet Linear Protection Switching）；G.8032，关于以太网环路保护（Ethernet Ring Protection Switching）。

G.8031定义了1+1双向，1+1单向和1：1双向在反转（Revertive）和非反转（Non-Revertive）模式下的线性保护切换。G.8031在2006年6月公布了正式版本，随后进行了一系列的修订，其中2007年10月的第一次修订版本已经发布，最近的一次修订在2008年2月的ITU-T SG15全会上被批准。

G.8032定义了环拓扑的以太网自动保护切换机制。ITU-T从2006年2月立项开始研究，在2008年3月成功发布了第一个版本，这个发布的版本比较简单并具有较好的可靠性。G.8032的第一个版本发布后，获得了很多厂商和运营商的关注，一些运营商表示将来建设城域网络考虑采用G.8032。

3  以太环网保护技术介绍

环网保护是要对一个以太网环拓扑进行自动保护。在正常状态下，要在环网内设置阻塞链路，以防止成环。当其他链路发生故障时间，这段阻塞链路打开，流量倒换到环上的另一侧路径从而进行倒换保护。在G.8032 中，这段链路并称为环路保护链路（Ring Protection Link，RPL)，负责阻塞这段链路的节点称之为RPL拥有节点（RPL Owner)。

3.1  基本保护机制

G.8032定义了2种状态，空闲态（Idle state）及保护状态（Protecting state）。前者是在没有故障时的正常工作状态，后者是检测到链路发生故障后切换到保护的状态。自动倒换保护是由以太网OAM的CC检测到故障触发的。故障消息的传递和倒换的控制协议的传递是采用自动保护倒换通道（APS Channel）中进行的。当故障恢复时，G.8032为了保证对倒换的稳定性，定义了一个恢复定时器(WTR)，RPL拥有节点在收到故障告警恢复消息后，必须等待WTR耗尽时才倒换回去，即在重新阻塞RPL前等待一段延时，确定环网倒换稳定。

如图1所示，状态迁移和保护倒换的步骤如下：

图1  环网保护基本机制图1 环网保护基本机制

（1）正常状态下环路处于空闲态（Idle）

◆所有的节点在物理拓扑上以环的方式连接。

◆环路保护协议通过阻塞RPL链路，确保不会成环(Loop)，比如图1中A，B节点间的链路为RPL。

◆相临节点对每条链路都使用的以太网OAM中的CC帧进行监视。

◆采用Y.1731定义的信号故障（SF)类型触发环路保护倒换，这些故障包括连接性丢失或者服务层故障。

（2）当链路发生故障时启动自动保护倒换（Protecting State）

◆由于故障相临的节点检测到时链路故障。

◆与故障链路相临的节点对故障链路进行阻塞，并使用R-APS(SF)消息向环上的其他节点报告故障。如图1中E，D间链路故障，E和D分别向环网上各个节点发送R-APS(SF)消息。

◆R-APS(SF)消息触发RPL拥有节点打开RPL端口。R-APS(SF)消息还触发所有的节点进行FDB刷地址，然后节点进入保护状态（Protecting）。

（3）故障恢复时的倒换

◆当故障恢复时，故障相邻的节点继续保持阻塞状态，并发送R-APS(NR)消息，表示没有本地故障请求（No Request)。

◆当RPL拥有节点收到第一个R-APS(NR)消息后，开始启动WTR定时器。

◆当WTR定时器耗尽后，RPL拥有节点阻塞RPL，并发送R-APS(NR，RB)消息。

◆其他节点收到这个消息后，刷新FDB，发送R-APS(NR)消息的那个节点停止周期性发送消息，并打开原先阻塞的端口。

◆链路节点回到空闲状态（Idle）。

3.2  自动保护协议

自动保护协议消息（Ring APS Messages，R-APS）定义了两种基本消息：链路故障消息R-APS (SF)和链路恢复消息R-APS(NR)。在R-APS(NR)消息中，对于RPL拥有节点，RPL拥有者节点在指示其阻塞RPL端口时发R-APS(NR，RB)。

R-APS消息由Y.1731 OAM的公共区域进行定义。R-APS通过APS通道在环上传输，这是一个用于控制的VLAN通道，每个节点在二层网络的转发层对R-APS消息直接向下一个节点转发，保证了快速倒换达到50ms的要求。

根据G.8032对R-APS进行的定义（见图2），Version G.8032 v1版本定义为0；OpCode定义为40；Flags，“00000000”环保护的节点忽略这个值。对于图2中R-APS Specific Information区域的定义了图3所示的信息。其中：

图2  R-APS消息格式

图3  R-APS中的特有信息

（1）Request/Status(4bits)：“1011”=SF；“0000”=NR；Other=将来用；

（2）Status RB(1bit)：当RPL阻塞的时候设置为1（在NR消息中由RPL拥有节点使用)；

（3）Status DNF(1bit)：如果不需要刷新FDB，则设为1(将来使用)；

（4）NodeID (6octets)：消息源节点的MAC Address(作为Informational)；

（5）Reserved1(4bits)，Status Reserved(6bits)，Reserved2(24octets)：将来扩展用。

4  需要解决的问题和未来的发展

目前，G.8032 v1仅仅定义了单环的保护，多环正在讨论之中，随着技术的发展，下列问题还有待进一步在标准中解决：

（1）增加对非反转模式（Non-Revertive Mode）的研究。也就是故障恢复后，不倒换到回阻塞RPL，而是对故障链路继续保持阻塞，在正常状态下作为避免成环的常阻塞链路。

（2）增加对手工倒换等用户管理能力。

（3）优化协议中对FDB刷地址的操作，主要是针对多点故障恢复时刷地址的优化。

（4）增加对多域保护的支持。

（5）与其他保护协议（如生存树）的互通支持。

对于环网保护技术未来发展方向，我们觉得有3方面需要进一步发展，即多环保护、任意拓扑的保护及多域问题。

4.1  多环保护

多环问题正在ITU-T SG15讨论，是未来要解决的问题，对于多环的保护，目前已经出现了几种不同模型的研究，包括共享链路（Share Link）模型和子环(Sub-link)模型。

第一种模型中，将多环中的各个环拓扑指定成不同优先级，环与环之间的相交链路为各自共享，对于环中非共享链路的发生故障，会触发该故障所在环的保护倒换，而对于共享链路的故障，通过比较优先级，则触发共享链路所连接的高优先级的环进行保护倒换，将那个环的RPL链路端口打开。这种机制依赖多环优先级的固定分配，确保多环结构正确倒换，避免形成超环。

第二种模型中，子环(Sub-Link)概念的引入把每个多环拓扑看成是由一个封闭的主环及多个非封闭的子环构成（见图4）。每个子环都通过两端的节点与其他的环或子环相连接。无论主环或子环中都必须要有至少一条RPL阻塞链路。这种模型可以支持任意多环网络的拓扑结构，应用范围更广，图4显示了和生成树的对比。

图4  多环保护

4.2  任意拓扑的网络保护

在子环(Sub-Link)概念的基础上，可以进一步扩展，将子环使用单独的保护协议。特别是R-APS消息在子环两端的终结，并不需要闭合的环网。

这个结构可以增加灵活复杂的拓扑结构。在某种意义上，Mesh结构的网络也可以看作是由多个环拓扑组成的，不再局限于环网，是比较通用的网络保护协议。

对于R-APS消息要在子环两端的终结，如果限定网络保护仅支持非反转模式，则R-APS协议可以得到简化，也就是故障点恢复后继续承担避免成环的阻塞点，而不是重新阻塞RPL。这使得每个节点都完全对等，不需要有一个比较特殊的RPL拥有者节点及R-APS(NR，RB)消息。

从SDH环网保护的习惯出发，反转模式比较常见，其优点是可以设置多个逻辑环，根据用户流量和带宽把阻塞点放置在不同的位置，支持每组VLAN的带宽负载平衡。对于仅仅支持非反转模式，常阻塞点的位置和网络流量的拓扑变化将显的“不可控”。但事实上，相对于生成树协议，阻塞点也是由STP计算出来，任何弹性保护协议的实质是一样的，将特定的端口置于阻塞状态来实现避免环路又有冗余路径。在这里，无论拓扑如何变化，阻塞点总是落在限定的子环内。

4.3  多域保护

目前，大量的网络应用是Overlay 模型，如何解决多环多域的问题是在组网中碰到的实际问题。解决多域的网络保护问题也是未来技术的一个方向，比如接入网和核心网的不同物理域、管理域或保护协议。图5是一个典型的多域例子，在图5中，802.1ad的PBN网是接入环网，核心网是一个802.3ah的PBBN网络。PBN通过核心网络BEB节点（B，C）经802.1ad节点f，节点g接入到802.1ah的PBBN核心网中。A，D是PBBN网络中的BCB节点。如果在PBN的S-VLAN及PBBN的B-VLAN/SID分别运行环网保护协议，这时碰到的难题是如何对跨环的流量进行保护。

图5  多域网络的保护

一种解决方案就是采用子环模型，将PBBN看成主环Ring 0；而PBN与PBBN的接口部分（NNI），看做一个子环Sub Ring 1，即链路B-f-g-C；PBN的链路f-h-i-j看做另一个子环Sub Ring 2。在3个环分别设置RPL并运行R-APS环路保护协议，只有属于本环或本子环的链路出现故障才引起本环或本子环RPL的倒换。

对于不同的协议域对接的情况，特别是以太环网保护和生成树协议的互通，也是未来研究和完善的主要内容。子环拓扑发生变化时，应该通知相邻的上层网络其拓扑的变化信息，这个接口消息未来需要进一步标准化才能使多个网络保护协议互通成为可能。

图5的例子中PBBN也可以运行生成树协议，如果子网Sub Ring1出现故障倒换，其拓扑变化的信息，如果能通知PBBN网络的生成树协议，可以使得上层网络正确地对FDB进行刷新。

多保护协议之间的互通，给运营商或企业网络提供了更多的选择，可以灵活地配置不同的网络保护协议。

5  结束语

从保护上看，环网保护技术有天然的优势，单环形拓扑是最简洁的具备冗余的拓扑结构。但单环网能够承载的流量受限于环链路带宽，扩展性也比较差。随着对多环的研究，网络保护已经由单个环网向复杂拓扑发展，向更加通用的网络保护协议发展，解决多域保护，多协议互通的问题是网络弹性技术的趋势，也将使以太网的电信级应用更加成熟。

微信扫一扫实时了解行业动态

微信扫一扫分享本文给好友