6.5. Технология защищаемого пакетного кольца rpr в оптической транспортной сети
Отказоустойчивое пакетное кольцо (Resilient packet ring — RPR) представляет новую сетевую архитектуру и технологию, определенную спецификацией IEEE 802.17 и разработанную для пакетно-ориентированных сетей регионального масштаба (Metropolitan Area Network — MAN). Эта технология сочетает простоту и надежность SDH с эффективностью пакетной передачи. Она обеспечивает 50 мс защитную коммутацию и в то же время за счет пакетного транспорта использует выгоды статистического мультиплексирования для лучшей утилизации всей доступной полосы, включая полосу, отводимую под защиту. Более того, RPR предлагает несколько уровней QoS для поддержки различных типов служб, транспортируемых в региональной сети. RPR способна поддерживать до 255 узлов в кольце общей протяженностью до 2000 км.
Целью стандарта RPR, полностью базирующегося на пакетной форме трафика, является масштабируемость и эффективные механизмы использования полосы пропускания, присущие Ethernet, с одной стороны и высокая надежность и полная равнодоступность, характерные для SDH с другой. Основное преимущество RPR состоит в том, что отправленные каким-либо узлом пакеты дойдут до получателей независимо от направления обхода кольца. Все узлы кольца содержат информацию о кольцевом соединении и выполняют с данными только три операции: ввод пакета в кольцо, ретрансляцию пакета и его удаление из кольца. Таким алгоритмом снижены непроизводительные расходы на обработку служебной информации по маршрутизации. Сочетание низкой стоимости и защищенности трафика делают технологическое решение RPR перспективным для построения сетей типа MAN и WAN.
Еще одно важное достоинство RPR состоит в том, что стандарт разрабатывается только для уровня управления доступом к среде передачи (Media Access Control, MAC), для которого подходят любые технологии физического уровня (PDH, SDH, OTH, Ethernet и т.д.)
Кольцевая сеть RPR строится двунаправленной (рис. 6.38), в которой предусмотрена автоматическая реконфигурация за 50 мс. При этом для реконфигурации не требуется держать в запасе 50% емкости, как в SDH. Трафик в кольце RPR передается в обоих направлениях двойного кольца. Если произойдет авария (обрыв кабеля), то весь трафик будет пущен по одному кольцу в обход места повреждения. При этом в случае переключения могут образоваться перегрузки и ухудшение качества обслуживания. Для управления сложными ситуациями в RPR предусмотрен механизм поддержки качества обслуживания (Quality of Service – QoS), который обеспечивает приоритетную транспортировку наиболее важного трафика (речь, видео в реальном времени).
Уровневая протокольная структура RPR представлена на рис. 6.39. Основой протокола RPR стал протокол Cisco SRP (Spatial Reuse Protocol). Этот протокол доступа к медиаресурсам приложений для кольцевого межсетевого обмена является само восстанавливающимся. Все это реализовано на уровне RPR MAC.
Подуровни управления MAC позволяют организовать передачу по внутреннему и внешнему кольцам, транзитные передачи с маршрутизацией между сетевыми элементами и выходами на пользовательский уровень. Такая структура уровня MAC RPR позволяет поддерживать четыре класса обслуживания для пользователей.
Резервный класс обслуживания без использования полосы частот для резервирования и применения для простых каналов мультиплексирования с разделением во времени.
Рис. 6.38. Двунаправленное кольцо RPR
Высокоприоритетный класс обслуживания (класс А) гарантирующий полосу частот для приоритетного трафика, чувствительного к фазовым дрожаниям и задержкам. Это трафик звука, видео и эмуляции каналов для различных применений.
Приоритетность средняя (класс В) – необязательно выполнение требования по резервированию среды передачи при соблюдении требований по фазовым дрожаниям и задержкам. Подходит для передачи данных высокого качества (Ethernet).
Низкоприоритетный класс (класс С) – предусматривает динамическое распределение полосы частот для обслуживания, что более всего подходит для обслуживания транспортировки в Интернете. На рисунке 6.40 представлены функциональные блоки MAC RPR.
Интерфейс с пользовательским уровнем передает и принимает данные определенного класса услуг.
Рис. 6.39. Структура протокольного уровня RPR
Рис. 6.40. Функциональные блоки MAC RPR
Логика обработки следит за адресным пространством всех пакетов, проходящих в кольце или хранящихся в буферном устройстве транзита для других узлов. Логика обработки выполняет следующий набор функций:
извлечение одиночных пакетов и доставку их к интерфейсу пользователя с контролем адреса станции получения;
копирование пакетов широковещательного назначения для пользовательского интерфейса MAC, размещение их в транзитной части MAC для других узлов;
помещение транзитных пакетов в буфер транзита вместе с их адресным пространством к соответствующему узлу;
передача пакетов с сообщением о полосе и управление прохождением в этой полосе.
Транзитный путь в узле RPR делится на высокоприоритетные{для класса А) и низкоприоритетные(для классов В и С) буферные устройства передаваемых данных. Транзит пакетов предусматривает услуги с учетом чувствительности к задержкам.
Управление полосой предусматривает для низкоприоритетных пакетов сжатие полосы, а для соответствующих классов услуг (А, В, С) предоставление минимальной гарантированной полосы в каждом соединении между узлами.
Защита в RPR предусматривает механизм переключения за 50мс пакетного трафика на резервный путь.
Топология необходима для регулярного сбора информации служебными пакетами о структуре сети и ее ресурсах для передачи пакетов. В кольцо RPR могут быть включены до 255 станций. Топология оценивается каждый раз, когда происходит добавление или исключение отдельных станций и в случае повреждений. При инициализации системы кольца все станции посылают контрольные пакеты для определения топологии кольца. В каждом пакете метка после прохождения очередной станции уменьшается на 1. Если станция обнаруживает добавление новой станции в сети или станция обнаруживает нарушение связи, то она сразу передаёт сообщение определения топологии. Если станция получит сообщение топологии, которое несовместимо с её текущим образом топологии, она немедленно передаст новое сообщение топологии. Таким образом, первая станция, которая заметила изменение топологии, начинает волновой эффект изменения топологии.
Функции взаимодействия с физическим уровнем предусматривают возможность передачи пакетов через кадры GFP, вводимые в циклы PDH, SDH или на физический уровень Ethernet и т.д.
Формат кадра передачи данных RPR представлен на рис.6.41. Кадр состоит из восьми полей с различным количеством байт.
Назначение полей кадра RPR:
– TTL, Time to Live – байтовое поле времени жизни кадра RPR;
– Rl, Ring Identifier – бит идентификатора кольца, инициируемого для ввода пакета;
– FE, Fairness Eligible – бит индикации неправильно выбранного пакета;
– FT, Frame Type – двухбитовый индикатор типа кадра RPR: данные, неправильный пакет, управление, свободный пакет;
– SC, Service Class – двухбитовый индикатор класса обслуживания (А, В, С);
– WE, Wrap Eligible – битовый индикатор возможной упаковки кадра RPR в узле;
– Р, Paritet – бит паритета, зарезервированный для буферного использования в кадрах данных;
– DA, Destination Address – шесть байт адреса назначения;
– SA, Source Address – шесть байт адреса отправки;
Рис. 6.41 Общая структура кадра RPR
– TTL-base – это поле используется для задания объема поля TTL первым источником данных в кольце для контроля времени прохождения;
– EF, Extended Frame – бит индикации устанавливаемого формата кадра RPR;
– Fl, Flooding Indication – двухбитовый индикатор занятия одного или двух колец;
– PS, Passed Source – бит обнаружения ошибочного состояния прохождения пакета при выделении;
– SO, Strict Order – бит нарушения порядка, идентифицирующий кадр, который должен быть доставлен до места назначения;
– RES, Reserved – резервные биты (3 бита);
– НЕС, Header Error Correction – двухбайтовое поле коррекции ошибок 16-ти байт заголовка кадра RPR; .
– FCS, Frame Check Sequence – поле завершения кадра RPR (32 бита).
Поле нагрузки оптимизировано под размещение данных Ethernet.
Уровень MAC RPR предусмотрен для обработки двух типов трафика, проходящего через сетевую станцию: входящего и транзитного (на рисунке 6.38 «ввод» и «ретрансляция»). Входящий трафик принимается станцией от пользователей сети и должен быть отправлен в кольцо для передачи другим станциям. Транзитный трафик – это данные, передаваемые по кольцу от предыдущей станции к последующим. Возможно использование двух режимов транзита: сокращённый, т.е. с отправкой кадра данных до его полного получения; хранение кадра данных и его последующая отправка. Для исключения бесконечного распространения пакета в кольце с адресом, который не опознаётся ни одной станцией, значение поля времени жизни TTL уменьшается всеми станциями в кольце до полного исчерпания и последующего уничтожения кадра. При получении станцией адресованного ей кадра она удаляет его из сети (на рисунке 6.38 линия «вывод»). Для обработки транзитного трафика предусмотрены схемы хранения кадров с одним и двумя буферами. При использовании одного буфера приоритет обслуживания имеет транзитный трафик перед входящим. При использовании двух буферов транзитные кадры с высоким приоритетом (класс А) накапливаются в первичном буфере транзита. Кадры данных с классами обслуживания В и С накапливаются во вторичном транзитном буфере. Первичный буфер имеет приоритет при отправке кадров относительно вторичного буфера.
Протокол RPR предусматривает отправку информационных пакетов в одном направлении, а пакетов управления в другом, что гарантирует быстрое распространение управляющих сигналов для оценки пропускной способности и самовосстановления.