倡 国
中圈科技核心期_f=f
RPR技术及其 QoS分析
程玉柱 何对燕 丁 晋 张 薇
(武汉大学电子信息学院测试计量技术与通信工程部级重点实验室 武汉 430079)
摘要 弹性分组环 (RPR)是 目前在城域网中进行数据
传输的一种新的传输技术。网络的服务质量 (QoS)是
下一代 IP光因特网中一个很重要的问题。RPR作为一
种新的光传输技术，必须支持 QoS。基于此，主要介绍
了RPR网络特点，并回顾和总结了已有的 RPR网络
QoS方案。最后，提出了MPLS over RPR的 QoS方案。
关键词 洋陛分组环 服务质量 城域网
中图分类号 TN929．1l 文献标识码 A
1前言
弹性分组环(RPR) 集 SDH光纤环 网的可靠性 、
以太网技术的高效和经济性以及 IP技术的智能性于
一 体，是城域网(MAN)技术发展的重要方向。SDH作为
TMD通道，对分组业务的支持较差，资源利用率不高，
用其组建城域网结构较复杂，很难做到带宽共享 ；
ATM虽然在 QoS等方面有一定优势，但其技术的复杂
度导致了昂贵的价格和较高的信元开销，并且与网络
的IP化发展不相一致；以太网技术作为一种廉价，相
对简单 的技 术 ，虽然广泛应用 于局域 网中 ，但 其缺乏
有效的QoS，网络恢复与保护以及网管机制，远远不能
满足电信运营的需要。 而 RPR技术则结合了 SDH
与以太网技术的优势 ，通过使用环结构 ，实现带宽的
共享与保护。
2 RPR网络特点
RPR技术采用了一种新型的 MAC层协议 。RPR
具有如下技术特点 ：
(1)快速 的二层交换 在 RPR环形结构 中，每个节
点均有上行和下行两个邻居，网络结构相当简单。
(2)环同步 由于 RPR环是双向反向环，时钟同步
分组信令沿光纤方向传送，同时具备了冗余备份的功
能，从而保障环在任何情况下都保持同步。
f3)分组环的空问复用技术 SRP(Spatial Reuse Pro—
toco1)它是一个独立于介质的 MAC层协议 ，SRP在数
收稿日期：2005—05—17
作者筒介：程玉柱 男．1980生．硕士研究生，主要从事光网络的研究．
⑩ 兜冠信筏书 2005年第9期
据包环上提供了寻址、读取数据包、带宽控制和控制
信息传播的基本功能。在分组环路上，数据包被 目的
节点从环上获取。这样 ，使得分组环有多个节点成多
段同时传输数据，不会互相影响。空间重用可以保证
对各种等级业务的 QoS，RPR可根据用户需求分配带
宽，而不是像 SDH那样分配固定时隙，而且可以对不
同等级的业务采取不同的保护方式。SRP光纤环使用
因子为 2，光纤使用率相对 SDH提高一倍 ，从而最大
限度地利用光纤的传输带宽。
(4)多等级、可靠的 QoS服务 各种 RPR技术都定
义了几种服务类别，比较普遍的定义包括快速前传
(Expedited Forwarding)、保障前传(Assured Forwarding)
和 BE(Best Effort)，其中控制信令是默认的最高优先
级 ，并无需定义其级别。不少厂家在实际运行环境中
可以根据客户或不 同业务的需求定义新的业务级别。
(5)环 自愈保护 当 RPR环中光纤传输中出现严
重故障或者发生光纤 中断后 ，光纤 中断处两端节点会
发出2层的控制信令 ，沿光纤方向通知各个节点。业
务流源节点接收到这个信息后，立即向另一个方向的
光纤上发送业务。在环保护切换时 ，会按业务流的不
同服务等级，根据同终点业务一起倒换原则，依次向
反向光纤倒换业务。RPR能保证业务的倒换时间小于
50ms。
3 RPR流量分类
流量分类是 RPR锁包含的多种 QoS保证机制的
基础内容。RPR通过对业 务流量进行分类 ，并对不同
类型的流量采取不同的处理优先级，来满足各类业务
对网络的QoS的要求。
在 RPR的 MAC层 ，客户数据被分为 A类 、B类和
C类。
A类(Class—A)流量能够获得有保证的信息速率
(CIR，committed information rate)，并确保最小 的端对
端 MAC时延和抖动。
B类(Class—B)流量也能获得有保证的信息速率
(CIR)。当流量数率在”有保证信息速率(CIR)”范围内
维普资讯
馅 吻
时，RPR转发数据所带来的 MAC延时和抖动影响时
有限的。超过 CIR的 B类流量被称作”超额信息速率
(EIR)”B类流量。
C类(Class—C)流量没有分配固定带宽。B类流量
中属于”超额 信息速率 (EIR)”的流量 ，与 C类流量一
起被 MAC层标记 为”适 用于公平算法 的流量 (FE—
fairness Eligible)”，并且对 RPR转发此类数据所带来
的MAC延时和抖动范围不作限制。
其 中 A类 流量被进一步分为两个子类 ：A0子类
和A1子类[21。作这种划分的目的是未来提高 RPR环
网回收已分配给某些 A类流量 ，以提高网络性能。
RPR节点对流量的处理操作包括流量的接收、转
发和发送。当RPR节点接受流量时，A类流量的处理
优先级最高，B类次之，C类最低。当节点转发流量时，
对于采用双队列设计的节点 ，A类流量 的处理优先级
大于 B类和 C类流量 ，但 B类和 C类流量的处理优先
级相同 ；而对于采用单 队列设计 的节点 ，各类 型流量
的转发处理优先级完全相同。节点流量的进入和转发
采取了严格的优先级顺序，其目的是为了确保同一业
务类型的帧能够按序 收发 ，同时确保各种类 型的业务
获得各自所需的带宽保证和时延、抖动范围。
4 RPR的 QoS机制
RPR的 QoS机制主要包括带宽预留和公平算法，
而这两种控制机制的实施都是建立在流量分类基础
之上的。首先 ，RPR采用预先分配带宽的方法来保证
环网中的A类和属于 CIR的 B类流量的 QoS。而对于
C类的流量和属于 EIR的 B类流量 ，RPR不作带宽预
留，仅随机提供带宽 ，即它只能使用环网中没有预留
的带宽或已预留给 Al子类和 EIR B类的流量 ，但可
以回收再使用的带宽。负责调节此类流量发送的控制
机制即为公平算法 。
4．1 RPR的带宽预留机制
RPR带宽预留机制的工作原理是 ：为不同的业务
流量分配其各 自所需 的网络资源 ，且在流量传送过程
中 ，资源 由特定业务独 占，而非 由多业务共享 ，则显然
不会存在该业务的服务质量问题。
RPR标准规范『31了两种带宽预 留机制 ，即统一带
宽预留和空间带宽预留。统一带宽预留机制在整个环
上为每类业务流量提供单一速率的预留带宽 。采用这
种带宽预留机制时 ，环 内转发距离不同的多个业 务量
之间不存在任何预留带宽的区别。空间带宽预留机制
中，RPR节点为环上不同链路中的每类业务流量提供
RPlt技术技其QoS分析
相互独立的预 留带宽。预留带宽的大小可 以随跳数的
不同而不同。空间带宽预留机制的灵活性更好 ，但实
现更复杂。
4．2 RPR带宽分配公平算法
RPR采用带宽公平控制机制 ，以保证环网负载很
重或发生拥塞的情况下，各节点也能够公平使用环网
的可用带宽。同时 ，此公平算法提供了一种流量控制
手段 ，可以通过调节各 节点 的流量发送速率 ，减轻 网
络拥塞程度或降低发生拥塞的可能性，并提高网络带
宽的利用率。下面对现在的各种公平算法进行简单的
讨论和总结。
(1)空间重利用协议 SRP(Spatial Reuse Protoco1)
具体算法是 ：在每个 SRP环节点上 ，使用 3个计数器
(my-usage，fwd-rate，allow-usage)来控制本节点发出的
流量以及经过本节点转发的流量。SRP进程每隔一个
控制间隔 (Decay Interva1)激活一 次 ，来判断本节点是
否在拥塞状态，并更新本地的一些流量统计信息 ，修
改 allow—usage的值 ，并根据本节点状态确定反馈给上
游节点的用法控制信息，向上游节点发送。当一个节
点检测到拥塞的时候，就会主动的通知上游节点减少
allow—usage的值，从而迅速降低网络负载，缓解拥塞。
SRP具有较好的有效性 、简单性和扩展性。但也存在
一 些问题。首先，算法必须设定恰当的算法参数，如控
制信息 的发送间隔 、转发缓存器的容量和低优先级门
限的大小等。这些参数的设置将会对网络中处于不同
位置的节点 ，及不同优先级的业务产生影响。其次 ，由
于 SRP只有一个单独的速率控制器 ，这将会产生如下
的一些问题 ：如对头阻塞问题和不平衡业务情形下的
带宽分配不公平 问题。
(2)~-g中分布式虚拟时间调度算法 针对 SRP的
不 足 。DVSR (Distributed Virtual—time Scheduling in
Rings)算法作 了一些改进 。
第一 ，DVSR针对不同的节点的每一个流量都设
置一个速率控制器 ；第二 ，DVSR将采用单个的控制包
在 RPR中循环 ，每个节点将在这个控制包的相应位置
记录自己的信息 ，这样使得环上仅有较少得控制包流
动。这样 ，DVSR将实现最大化的空间再利用，业务的
收敛时间大幅变快，抖动有所减缓。
但此算法也有不足之处 ，带宽得加权分配如何实
现问题；如何使得 RPR环在传送 TCP和 UDP业务时，
在二者之间公平分配带宽，需要继续研究。
(3)环中分布式流公平算法 DFAR—BF栩算法是以
GPS(Generalize Processor Sharing)模型为基础。GPS是
2005年第9期 ．允盈镭孳重．书 ⑧
维普资讯
骀 值国
RPR技术及冥QoS分析
一 个理想化的服务器，称为“通用处理器共享”，是分
组调度算法的基础。它假定服务器在任何瞬间，能同
时为所有积压队列提供服务，并且业务流是无限可分
的。在实际的分组网络系统中，任一时刻最多只能有
一 个连接得到服务 ，而且，只有一个分组传输完成之
后才能传输其他分组。GPS系统具有许多优良的性
能，但并不是一个实用的调度服务器。
DFAR—BF采用“公平一估算一反馈一流控”不断
循环的机制，避免某一节点长时间处于接入劣势或者
拥塞状态，使环网迅速收敛到公平接入。DFAR—BF在
实现按流公平的同时充分利用带宽资源，克服了在非
平衡流情况下流量抖动的问题，并且获得了极短的收
敛时间。它在硬件上容易实现，在我们的搭建实际系
统中工作正常，是一种有效的环网公平算法。
(4)阻塞分布式公平算法 cDFA嘲(congestion Dis—
tributed Fairness Algorithm)为等级 C类流量提供得公
平算法，它通过对传送的数据包的分析检测到活动节
点的数目；同时在传输速率低于活动节点的平均带宽
的情况下，计算出一个新公平速率。所有节点得到这
个公平消息时降低传输速率，这种传输效果比阻塞情
况下，要好的多。所有 CDFA克服了RPR公平算法得
限制，并且改善了环网上得带宽效率。
(5)反馈式差额循环调度算法 DRR调度算法也
是一个近似的GPS(GPS调度算法能够为各种不同的
流量公平的分配带宽，而且能够隔离恶意的用户)算
法，在硬件上很容易实现，DRR再加上 RPR算法中的
反馈机制就组成了 FBDRR，FBDRR (Feedback based
on deficit round robin)能够隔离不同类型的流量 ，解
决它们之间的冲突问题，公平地分配带宽，而且能够
很快地恢复网络。
(6)模糊逻辑控制算法 在网络阻塞的情况下，即
使使用 RPR的激进模式(aggressive mode)的算法的
性能也不是太好。而保守模式(conservative mode)的
带宽利用率比激进模式还要低。针对以上的确定，提
出了模糊逻辑算法。
FLC嘲算法比主动模式更加稳定、可靠。流量振荡
明显的降低，达到了带宽的全部利用。在一些阻塞地
情况下 ，RPR能够成功地达到理想地设计 目标。
(7)分布式带宽重分配算法 业已存在的一些公
平算法 ，为了减少振荡，在公平消息中增加了低通滤
波器，但是依然在非平衡流量的情形下有严重和持久
的振荡 ；其次不能获得较高的空间利用率、吞吐量和
公平；还需要大量的汇聚控制头信息 ，导致环上的信
⑩ 兜翘信李童．书 2005年第9期
息量增加。
在此情况下，DBRR[91(Distributed Bandwidth Re—
allocated in Rings)却能够动态地实现高利用率、空间
重用、公平。DBRR是动态的，其传输类型不需要事先
知道。但此算法还需要进一步研究对于不同的业务流
的类型的带宽公平分配算法。
(8)低复杂度分布式带宽算法 DVSR虽然能够
解决没有振荡的稳定状态下的公平问题，但是必须以
很高的计算复杂度为代价。LCDBA[ 0](Low Complexity
Distributed Bandwidth Allocation)算法采用 RIAS(Ring
Ingress Aggregated With Spatial Reuse)公平的思想 ，在
阻塞的状况下 ，所有的节点在阻塞链路上必须能够发
送相同数目的数据。虽然采用与 DVSR相同的可测定
方法，但却能够以很低的计算复杂度和很小的测量间
隔会聚 RIAS公平速率 ，还可以升级 。
5基于 MPLS的 RPR的 QoS方案
RPR可以提供入环站点到出环站点带宽保护和
公平等特性的业务，但是 RPR缺少业务层的定义，它
不能提供跨环的业务，也不能提供端到端的业务和环
节点的故障恢复。
MPLS是一种可在 多种第 2层媒质上进行标 记
交换的网络技术，它把面向连接引入控制，是介于2、
3层之间的2．5层协议 ，结合了第 2层交换和第 3层
路由的特点。第 3层的路由在网络的边缘实施，而在
MPLS的网络核心采用第 2层交换。MPLS over RPR
可以传送多种业务，如图 l。
基于 MPLS的 RPR设备不但能够实现端到端的
流量控制，而且还具有公平的接入机制与合理的带宽
动态分配机制，能够提供独特的端到端业务 QoS功
能。另外，通过嵌入2层 MPLS技术，允许不同的用户
数据 语音 视频
士 士 士
RPR 环运行在
独 立 的 物 理 层
圈1 MPLS overRPR的业务传送机制
维普资讯
骀馅国
使用 同样 的 VLAN地址 ，从根本上解决了 VLAN地址
空间的限制。再有 ，由于 MPLS中采用标签机制 ，路 由
的计算可以基于RPR拓扑， 大大减少了路由设备的
数量和复杂度 ，从整体上优化了 RPR数据在 MAN 中
的传输效率，达到了网络资源的最优化配置和最优化
使用。
骨干光网路采用基 于 MPLS的 OBS技术 ，是未来
光 网络的发展方 向。所以 MAN采用 MPLS over RPR
可以和骨干光网络进行无缝的连接 ，有效地降低了成
本 ，同时提供 了网络 的可扩展性 、可升级性 。所 以
MPLS over RPR的 QoS方案将 MPLS与 RPR有机地
结合起来，充分利用了两者的优点，为下一代光城域网
的建设奠定了基础。
6结束语
本文首次 系统 全面的总结 了目前国 内外的各种
较新的 RPR QoS方案，并提出了 MPLS over RPR的
QoS方案。该方案屏蔽了各种具体算法的差异，具有低
成本、可扩展、可移植等特点。此外，在本方案的标准
化 、物理设备成本 的降低 ，以及市场推广方面还需要
做进一步的研究和努力。
参考文献
l赵正福 曾庆济 朱栩．弹性分组环技术．通讯技术，2003，(4)：17～19
2张继军．弹性分组环的服务质量保证机制．电信网技术，2oo3，(7)：8～l1
3 IEEE 820．17 draft v2．2
4熊艳清，敖发良，熊永权，等．弹性分组环中公平算法的研究．中国数据通
信，2003(11)：64～66
5谭步律，阮方．一种基于流的环公平算法．电讯技术，2004，(3)：144～
148
6 Lee Kangbok，Lee Sangyeoun，Le e Heyungsub，et a1．High Performance
Fairness Al gorithm for Resilient Packet Ring．The 8th Opto—Electronics and
Communications Conterence．2003．fl0)：76l～762
7 Fan g Hongbo，Wan g Peng，Jin Depeng， et a1．A new RPR Fairness Algo—
RPR技术及其 QoS分析
rithm Based on Deficit Round Robin Scheduling Algorithm． IEEE，2004，
(6)：698～ 702
8 Zhang Xin，Hossein Ghandehari，Gary Yip Ngok—Wall Ma，et a1．Fuzzy Log—
ic Control in RPR Network．IEEE，2004，5(4)：l 893～l 896
9 Yue Peng，Liu Zengji，Liu Jing．High Performance Fair Bandwidth Alloca—
tion Algorithm for Resilient Packet Ring． Proceeding of the l 7th Interna—
tional Conference on Advanced Inform ation Networking and Applications．
tEEE，2003：4l5～420
lO Fahd Alharbi，Nirwan Ansari．Lo w Cornplexity Distributed Ban dwidth
Allocation for Resilient Packet Ring Netw orks．IEEE，2004：277--282
QoS Analyzing of
- 一
Resilient Packet Ring
CHENG Yu-zhu。HE Dui-yan。
DING Jin，ZHANG W ei
rMeasuring& Testing Technology and Commu—
nication Engineering Ministerial Key Laboratory，
School of Electronics Information．W uhan Univer—
sity，Wuhan)
Abstract RPR is a new technology for transmitting data
in current Metropolitan Area Network(MAN)．It is very
important to realize quality of service(QoS)in the next
generation IP netw ork．As a new optical transmission
technology，Resilient Packet Ring(RPR)must support
QoS．This paper introduces the network architecture and
characteristics firstly， and then summarizes many meth—
ods of achieving QoS in other persons’articles about
RPR．And lastly discusses QoS scheme which is MPLS
over RPR in MAN．
Keywords RPR；QoS；MAN
欢迎订阅 g圃 目应厢 月刊
本刊集信息、知识、趣味、可读性于一体，以计算机实用技术见长，博采、精选国内外电脑研究 、开发与应用的精
华。具有军事、兵器控制色彩，军用计算机的开发，将用相当的篇幅刊登企业信息化、信息化建设、信息传输处理
与管理方面的信息及文章，关注 IT产业。尤其是刊登 Internet、www、网友、软硬件二次开发、电脑测控、
CORBA、开放式与微内核技术、柔性与敏捷制造等方面的内容，跟踪报道世界最新技术。
本刊为大 16开(A4)、64页、定价 6元／册 、全年 72元之电脑月刊。
全国各地邮局均可订阅，邮发代号 ：22—96 国外代号 ：M4257
欢迎订 阅 欢迎赐稿 诚征 广告
联系地址：太原市 193信箱《电脑开发与应用》编辑部 邮编：030006
电话：(035 1)8725025传真：(035 1)8725207 E～mail：DNKF@ehinajourna1．net．en
2005年第9期 ．允 活致采 ◎
维普资讯
