总第 147期
2005年第 3期
舰 船 电 子 工 程
Ship Electronic Engineering
Vo1．25 No．3
29
RPR技术特点及应用前景
易
(华中科技大学计算机科学与技术学院 武汉
亚 1)-2)
430074) (武汉数字工程研究所 武汉 430074)
摘 要：随着城域网中数据业务的发展，SDH技术及以太网技术都在不同方面暴露出很多缺陷。弹性分组环是一新
兴适用于城域网的技术标准，简要介绍了弹性分组环特点及其与SDH、以太网等其它技术的比较和应用前景等。
关键词：弹性分组环；SDH；以太网
中图分类号 ：TP393
Characteristic and Application Foreground of RPR
Yi Ping”·2)
(College of Computer Science and Technology，HUST”，Wuhan 430074)
(Wuhan Digital Engineering Institute2)，Wuhan 430074)
Abstract：With lhe development of lhe data service in the M AN ，SDH and Elhemm have limitations in some aspects．RPR is
a new technic standard used in MAN ．The article introduces the characteristic of RPR 。the oomparing with SDH & Ethernet．
an d the application foreground of RPR，etc．
Key words：RPR ，SDH ，Ethemet
Class Humher：TP393
1 引言
城域网建设已成为当前网络建设的热点。据
统计，近十年来，传统语音业务的年增长率只有
5％～10％，而以 Internet为代表的数据业务的年
增长率为2O％--30％。数据业务已成为城域网中
的主导业务。电信运营商希望在不破坏原有的基
于电路语音业务的同时，以新的方式从数据业务中
获益。现在，处理城域网中数据业务的能力是电信
运营商关心的一个重点。
新一代的城域网迫切需要一种新的基于环形
拓扑 的传输体 系结 构，这种体 系结构应具 有
SONET／SDH的恢复能力和保证能力，又有以太网
交换对数据业务的友好特性。目前出现的最受瞩
目的城域数据传输应用解决方案是弹性分组环
(Resilient Packet Ring，RPR)。
早在 2000年底，由几大设备商、芯片商共同发
起，就成 立了 RPR联 盟 (RPR alliance)。同年 l2
月，IEEE 802．17弹性分组环工作小组正式成立，
正式开始进行 RPR的标准化工作。目前 RPR正
式标准已于2004年6月24日被 IEEE 802委员会
批准出台。RPR采用双环结构的环形网络技术 ，
有效地统计复用突发型数据业务，同时保留了对传
统基于电路的语音业务的支持。目前支持的速率
包括 1Gbps、2．5Gbps及 10Gbps，RPR也可以用来
传送 TDM等信号。在 Infonetlcs Research新发布
的《城域光及以太网投资报告》中显示，有超过
6O％的运营商将会于 2005年开始在城域网中选用
RPR技术。
2 RPR工作原理与特点
2．1基本工作原理
弹性分组环(RPR)技术是一种在环形结构上
优化数据业务传送的新型 MAC层协议，能够适应
多种物理层(如裸光纤、SDH通道、千兆以太网通
道、DWDM等)，可有效地传送数据、话音、图像等
收稿 日期 ：2004年 8月 27 t3，修回 日期 ：2004年 9月 23 t3
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易 平：RPR技术特点及应用前景 总第 147期
多种业务类型。
弹性分组环网是一种数据优化网络，有两个相
互反方向传送的光纤子环，环网上的节点共享带
宽，不需要进行电路指配(如图1所示)。利用公平
控制算法环网上的各个节点能够自动地完成带宽
协调。每个节点都有一个环形网络拓扑图，都能将
数据发送到光纤子环上 ，送往 目的节点。两个子环
都可用作工作通道。为了防止光纤或节点故障发
生时导致链路中断，利用保护算法来消除相应的故
图 1 RPR环网拓扑
结构示意图
障段。
2．2 RPR特点
RPR是 一 种 二层
技术，能承载多种形式
的数据分组业务。由于
加入了独立于一层的媒
体接入 控 制 (MAC)，
RPR 既 能 在 现 有 的
SONET／SDH 网 上 运
行 ，又能在以太网上运行。
RPR具有以下主要特点 ：
采用双环(内环和外环)结构：RPR环网是由
两根反向光纤组成环形拓扑结构。其中一根光纤
是顺时针，另一根光纤是逆时针。RPR环上每一
根光纤上既可发送数据又可传输控制信号。每对
节点之间都有两条路径，保证了高可用性；对环路
带宽采用空间重用机制，单播数据传送可在环的不
同部分同时进行，提高了环路带宽的利用率。
带宽有效性：两个子环都作为工作通道，大大
节约了光纤资源。此外，还保留了当出现环网故障
时作为备份通道的特性。利用在 目的节点处分离
单播分组的特点，RPR网络能实现“空间重用”或
带宽倍增。空间重用技术增加了每个子环上同时
“对话”的容量。RPR还具有发送多播分组的有效
机制。与格形网拓扑结构不同，在格形网中，需要
对分组进行多个复制以发送到多个通道中，而
RPR节点能够共享一个分组。
提供严格的业务分类：RPR规范了 A、B、C三
种业务等级，提供了可靠的保障高优先级业务的机
制。A类业务可被分配一个 CIR(Committed In
formation Rate)速率，其中可细分成 A0(保留带宽)
和A1(可回收带宽)。A类业务优先级最高，可保
证最短的端到端时延和时延抖动。语音、视频、电
路仿真应用都可使用这类业务；B类业务被分配
一 个 CIR速率 ，对 于超过 CIR的流量被标 记为
EIR流量，EIR流量应与C类业务一起参加带宽公
平算法。其抖动 待时间要求低于类型 A，但仍
然有指标要求。企业等数据应用可使用该类业务；
C类业务即提供尽力而为的业务，优先级最低。节
点间负责协调以接收公平共享的环网带宽容量。
用户的互联网接入可使用这类业务。
易于管理：在网络拓扑变化时，每个节点通过
接收 RPR环上其它节点的 MAC地址，自动建立
和更新自己的拓扑图，使得网络初始化配置变得极
其简单，实现了即插即用，并可避免手工配置带来
的错误，便于进行网络的运营维护。
弹性：RPR网络能自动防止光纤或节点故障，
保护倒换时间小于50ms。每个节点都提供两个到
达目的节点的通道。RPR环网可采用两种保护机
制，一种是源路由方式(Steering)，即直接在业务的
源点进行倒换，可保证业务走最佳路径；一种是在
发生故障的两个节点进行环回(Wrapping)的方式。
可扩展性：RPR网络规模很容易扩展，每个环
网可以多达 255个节点。利用拓扑发现、带宽管
理、保护算法等功能能够在已有的网络中增加新节
点，或从网络中移除节点。从终端用户的角度来
看，带宽需求的变化可以快速实现，而不需要复杂
的指配。
3 RPR与 SDH、以太网等技术的比较
目前城域网主要采用的技术为 SDH和以太网
(由于技术的进步，千兆或万兆以太网链路已能够
用于城域范围)技术等。它们分别针对各 自承载的
业务类型而设计，在现有通信网络中占据着重要的
地位。SDH技术以其运行稳定、拥有较高的 QoS
和开销字节丰富等优点得到大规模应用，但它是面
向电路的时分传输体系，在分组时代，传输数据业
务时则显得效率不高。以太网技术以其组网方便
简单和资源利用率高等优点在宽带接人中也得到
较多应用，但是其系统服务质量(QoS)、可靠性和
网络安全性并不能满足电信级运营网络的要求。
而 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，
成为城域网(I、，IAN)技术发展的重要方向。相比于
SDH和以太网技术等，RPR的优势主要体现在以
下几方面：
(1)在保护倒换时间方面
SDH可在光纤中断或者是设备发生故障时提
供小于 50ms的环保护机制。
以太网利用生成树协议(spanning tree)来解决
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2005年第 3期 舰 船 电 子 工 程 31
以太网成环的问题。生成树协议通过计算形成一
颗树避免了逻辑环的产生，但当光纤中断时，需要
把故障信息依次传给上游节点后再进行恢复，其保
护倒换时间十分长，约为 30～50s，不适合提供路
径的保护，电信用户无法接受。
RPR则可以采用源路 由(steering)或环回
(wrapping，类似于 SDH 的 2纤 MS—SPRing方
式)环保护倒换机制，可提供比SDH的自动保护倒
换(APS)更好的网络自愈功能，可在 50ms内实现
倒换，不需要路由表的恢复。IEEE 802．17规范的
RPR把源路 由模式确定为默认方式。正常情况
下，RPR的两根光纤都是工作光纤。当发生光纤
中断或节点故障时，节点光纤人口物理层设备检测
到错误 ，并将该信息通知 MAC层，把故障路径方
向的数据流切换到反方向光纤；同时发出一个控制
信令分组通知其他节点，其余节点收到这个控制信
令分组后，也把所有业务转移到有效环上。RPR
的这种基于源路由的保护倒换机制，可以实现把数
据转换到最佳路径上去。在保护切换过程中，会按
照业务流的不同服务等级决定倒换次序和带宽分
配策略。
(2)在对 IP等业务的支持方面
SDH系统是一种电路模式传送技术，非常适
合传送城域网中64kb／s的话音业务和提供以 2M
为单位的固定速率电路，基于时隙结构的SDH不
具备无级动态带宽分配特性，通道传输带宽固定，
用来传输数据业务时，在数据业务量低时，造成带
宽浪费；但业务量增大时，会产生拥塞。为保证传
输质量，就要增大传输带宽，导致网络效率低下且
难以适应业务的突发性与速率可变性特点，另外
SDH设备的接 口类别少，难以满足数据网络发展
的需要。且传输 IP信号时的复用层次较多，使得
SDH传输数据业务很不经济。故 SDH不适合数
据业务的传输。
以太网技术虽然具有成本低、面向数据业务等
优点，但并不能满足快速发展的 IP传送和业务传
输所带来的挑战，主要表现在难于适应 IP业务量
和光纤带宽的快速增长，无法满足在拥塞情况下维
持高的带宽利用率和转发量，也无法满足即插即用
等 IP传输和业务传递发展的需要。同时也不能对
TDM等实时性强的业务提供好的支持。
而 RPR作为一种新兴 的链路层协议 是为优
化在环形拓扑上传输数据包而提出的一种全新的
IP包承载技术。它不仅可以很好地传输数据业
务，而且对传输 TDM等业务具有一定支持。
(3)在网络可管理性、拓扑的自动发现等方面
SDH是点对点的传输技术，在电路交换业务
分级组网时，不是很复杂，但对数据业务组网，一点
到其它每个节点都需要通道，组网非常困难。
单纯的以太网接人，无法提供多业务，对城域
网边缘层设备端口占用量大，对于星型组网结构需
要占用和浪费大量光纤。对树状网络结构的扩展
性比较困难，如果现有骨干带宽不够，需要进一步
扩展，就需要把现有结构进行改变，调整比较大，对
业务影响相对也比较大。而且由于树状结构是多
层次的结构 ，用户一旦出现问题，需要一级一级地
往上查 ，管理维护比较困难。
而在 RPR环上 ，每个节点对应一个唯一 MAC
地址，节点数最多支持 255个，所有节点都可以基
于逻辑 MA C地址进行快速二层交换。一个 RPR
环即构成一个虚拟的分布式第二层交换机，极大地
简化了原来由SDH、以太网交换机、IP路由器等组
成的复杂网络。在 RPR环中，每个节点掌握着环
的状态信息，平时节点没有任何节点更新的信息，
当环初始化、新节点加入、环保护切换时，利用节点
管理传输协议(SMT)，RPR自动识别模式即启动。
节点触发器向环中的所有具有逻辑地址的节点发
出第二层的消息，各个节点根据这个消息判断发生
状态变化的节点以及链路状态。这样在很短的时
间内RPR环上所有节点都收集到环的状态信息，
其中包括在环的两个方向上到达另外节点需要的
段数以及环上每个光纤的状态。RPR的自动拓扑
发现机制优于SDH的人工拓扑配置。
(4)在对带宽的利用和公平共享等方面
SDH环是依靠点对点连接实现的，每一条线
路都分配了固定宽度的带宽，当该线路处于空闲状
态时，这个带宽就闲置不用，而不会提供给网络运
营者用于其它业务。且 SDH环网有 50％的带宽
是冗余的，带宽利用率不高。
以太网虽然有着较高的带宽利用率，但其采用
简单的带宽管理和拥塞控制机制，每一个以太网交
换机对于 transit业务和自身的业务采用完全平等
的对待方式，这会导致各节点非公平的带宽使用。
RPR采用双环结构传输控制信息和数据信
息，带宽利用率高；采用类似 SDH复用段方式提供
业务上下，业务源节点和目的节点之间的段上两个
方向传输数据，目的节点从环上剥离单播包，当一
个包从环上被“剥离”时 ，它就不再消耗环上 的带
宽，在下游段上就可被其它信息包 自由使用，实现
所谓的空间复用(SRP)。同时，RPR采用统计复用
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32 易 平：RPR技术特点及应用前景 总第 147期
机制，在用户对带宽利用率低时可对它进行重新利
用，提高了网络利用率。在 RPR中，不论是语音业
务还是数据业务都可在同一带宽上传送，所有业务
共享带宽，网络带宽利用率被大大提高。另外，
RPR规范了一种分布式的公平控制算法来实现各
节点带宽的动态公平分配，不象 SDH那样分配固
定时隙，并可根据需求为环上的各节点分配不同的
权重，在环路带宽发生拥塞时，保证各节点高优先
级业务的传送，并实现低优先级业务的公平接人和
带宽分配，B类业务的EIR部分和 C类业务参与
公平算法。实现完善的公平机制，非常有利于
RPR环路快速响应具有突发性的数据流量变化。
不会出现传统以太网中出现的离目的节点远的节
点很难占用网络带宽的情况。
(5)在对 QoS的支持方面
以太网以前基本上采用尽力传送(best effort)
的方式工作，对于实时性强的业务，并不能提供良
好的 QoS。
SDH通过单一点到点运作，每一条线路都分
配了固定宽度的带宽，不能动态调整带宽，难以对
各种业务特别是突发性数据业务提供好的QoS保
障。
RPR标准中定 义了三个级别 的业务等级 ，可
以根据用户需要提供保障或不保障带宽、时延、抖
动的业务，且可以动态调整分配带宽等，可以提供
准确的 QoS控制。其对 QoS的支持优于 SDH和
以太网技术。
RPR与 SDH、以太网在网络形式等方面的简
要对比如表 1所示。
表 l RPR、SDH、以太网等三种技术特性的比较
网络形式 总线臆 点互联 双环网
50ms快速保护 无 支持
IP业务的支持 好 不太好
控制延迟和抖动 差 好
多播支持 支持 不支持
带宽利用率 较高 低
带宽公平性 差 差
QOS支持 差 较差
可管理性 差 较好 ，复杂
拓扑 自动发现 不支持 不支持
业务扩容 简单 复杂
组网经济性 经济 昂贵
复用方式 统汁复用 时分复用
支持速率 10／100M 1／10G 155M--10G
双环网
支持
好
好
支持
高
好
好
好
支持
简单
经济
统计复用
155M ～ 10G
4 RPR应用前景
从所承载的业务走向来看，业务的多样化和综
合化是城域网发展的必然趋势，其要求网络有能力
承载宽带业务与窄带业务，还要有能力承载实时业
务与非实时业务，理论与实践都表明能够承载上述
业务的网目前只能是基于分组交换技术的网络。
目前，JP电话的突破，表明电话类实时业务分组化
技术可行、商业上也可行，实时业务的全 IP化已无
障碍，非实时业务已经实现全 IP化。从业务综合
的角度来看 IP技术已经获得成功。因而从业务发
展来看 ，IP技术是发展的方向。而 目前的 TDM 业
务是过渡性业务 ，不是发展方向。网络是用于承载
业务的，网络与业务的适配将最大限度地发挥网络
优势 ，业务的发展走 向直接决定 了网络的发展方
向，因而城域网的走向将是发展 IP城域网。由于
RPR在承载 IP业务、服务质量等诸多方面具有明
显优势，将是建设新一代城域网的首选技术方案。
城域网在水平方向一般可分为核心层、汇聚层
和接人层等。城域网的核心层为核 t2,层业务平台
间提供高速的连接。核心层数据节点相对较少，光
纤资源丰富 ，由于在汇聚嗽 入层经过了业务的汇
聚与归并 ，核心层业务收敛程度较高。同时核心层
对 QoS要求很高。另外，当核心层带宽紧张时，在
保证 QoS的前提下 ，希望能够带宽共享，提高带宽
利用率。而 RPR的技术特性使它将成为核心层新
的优选方案。
城域网汇聚层处于网络核心层和接人层之间，
负责一定区域内数据和 TDM业务的疏导和汇聚，
网络结构主要 以环形拓扑为主。汇聚层节点对接
人层上传的数据业务进行收敛后，需要将业务高
质、高效地传送到核心层网络。一层透传和二层共
享很难同时满足汇聚层业务对传输效率和传输质
量的要求，在网络中引入 RPR机制以其独特的技
术特点将极大地改善汇聚层数据业务的传送效率
和质量。RPR基于环形的拓扑也非常适合汇聚层
网络的要求。
在接人层网络中，环形、链型结构都有较多应
用。RPR技术本身是为环形拓扑设计的，但 RPR
的公平接人和拥塞控制也可应 用于链型结 构中
(RPR环在链路中断，发生保护倒换时，物理拓扑
改变为链型)。在接人层设备中引人 RPR，能够在
提高带宽利用效率的同时保证 QoS，这对于保证业
务端到端的服务质量是非常重要的。
从上面的分析可以看出，在城域网的核心层 、
汇聚层和接入层，RPR的引入对同时保证数据业
务的传输效率和传输质量是非常重要和适用的。
目前 ，就应用方式而言，RPR技术在城域网中
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主要有两种实现方案：一种是基于 SDH的内嵌
RPR的 MSTP方案，业内通常称其为嵌入式 RPR
方案；另外是基于分组的 RPR方案，业内也叫纯
RPR方案。
嵌入式 RPR是从传统的 SDH NET平台
向数据和语音混合传输 的平 台扩展，在 SDH／
SONET的传输管道上根据实际应用需要设定传
输语音的 VC通道和传输数据业务的 RPR通道。
从网络应用范围来看，内嵌 RPR的MSTP方案适
用于建设以TDM业务为主，数据业务为辅的传统
运营商网络，兼容现有 SDH网络的前提下提供数
据业务传送能力的网络升级改造，可以在一定程度
上保护运营商在 SDH上已有的投资。它也是目前
最广泛采用的RPR实现方案。但它毕竟是基于时
分复用的技术，用于承载数据业务时具有很大的局
限性 ，这也决定了它只能是一种过渡技术。
纯 RPR设备可以同时支持数据和 TDM 业
务，尤其可对 IP数据业务进行高效处理。在动态、
公平、高效的传送大量数据业务的同时，还可以提
供少量的 E1／T1或 STM一1等 TDM 专线业务。
(上接第 3页)
统的测量导航系统或是基于以太网的系统相比，基
于 CAN总线的系统 ，具有以下优点 ：
(1)可靠性高 可靠性是测控系统尤其是海军
舰艇上测控系统的首要要求，系统必须在恶劣环境
下仍能保持一定的品质。CAN的总线故障管理机
制、介质访问控制机制、错误处理机制使得 CAN
有着很好的容错性，在恶劣电磁环境及其它干扰
下，也能保证通信网络的可靠性。
(2)实时性好 测量系统对所传输的数据有实
时陛要求，数据的传输延迟越小越好。CAN采用
带优先级的非破坏性仲裁技术，使系统设计者可以
根据系统对监测参数的不同要求设计信号传输的
优先级，从而保证了监控的实时性。CAN 总线在
网络传输延时时间也只有毫秒级，相对于测量系统
现场参量(水深、重力、温度、压力等)的动态变化延
时时间常数(一般几百毫秒到几秒之间)，完全可以
忽略其对控制品质的影响。
(3)可维护性好 各个设备跨接在 CAN线
上，通过总线与上位机通信。现场设备对上位机来
说是透明的，因此上位机可及时获知哪一个单元或
纯 RPR设备适用于建设以提供数据分组业务为主
的运营商网络，特别是一开始就以新兴数据业务为
主导的网络。随着数据业务的迅猛增长，在城域网
中由于处理的业务主要是数据，所以可以预计纯
RPR实现方案作为一种很好的优化解决方案将广
泛应用于未来城域网的建设中。
虽然RPR技术具有很强的竞争力，但是目前
它也有自身的技术缺陷。例如，其还不能提供跨环
的公平性等。这些都需要得到进一步完善。
未来的宽带网络将是数据业务高速发展和应
用的平台，随着 RPR技术的不断完善，RPR技术
必将以其各方面的优势，成为未来城域网最具竞争
力和生命力的技术平台。
参 考 文 献
[1]RPR Alliance．RPR overview—of—draft一22[S]．
2002
[2]何苗．城域光网络互连互通关键技术透视[N]．通
信产业报，2003—06—17(4)
[3]徐荣，龚倩，张光海著．城域光网络 [M]．人民邮电
出版社 ，2003
设备出现了故障，检修十分方便。由于 CAN物理
层所提供的可靠性机制，保证了在维修过程中部分
智能单元从总线上取下而不影响网络其它部分的
正常通信，提高了系统的可维护性。
除测量导航组合系统外，在舰船上将 CAN总
线应用于“黑匣子”系统、“综合船桥系统”等都有较
大的优势。
参 考 文 献
[1]Gianluca Cena and AdriaNO ValenzaNO．An Im
proved CAN Fieldbus for Industrial Applications[J]IEEE
Transactions Oil Industrial Electtonics，1997，44(4)
[2]H．Ekiz，A．Kutlu，M．D．Baba，E．T．Power．Perfor—
malice Analysis of a CAN／CAN Bridge[J]IEEE，1996
[3]马庆云，周 坚．基于CAN现场总线的智能数据采集
器研究[J]．山东科技大学学报(自然科学版)，2003，22(3)
[4]汤洁，万曼影．CAN网络在舰船系统中的应用[J]．
计算机应用，2000，(3)
[5] C Ander~mn，Lee A Lnft．NMEA 2000@AP—
PLIED．RTCM 2002．5
[6]陈永冰．周永余．李文魁，H／HCLZ—II组合导航系
统总体设计[J]．海军工程大学学报，1999，(3)
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