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1、千兆以太环网冗余保护的研究06通信工程（1）指导老师: 浙 江 理 工 大 学科 技 与 艺 术 学 院毕业论文诚信声明我谨在此保证：本人所写的毕业论文，凡引用他人的研究成果均已在参考文献或注释中列出。论文主体均由本人独立完成，没有抄袭、剽窃他人已经发表或未发表的研究成果行为。如出现以上违反知识产权的情况，本人愿意承担相应的责任。声明人（签名）：年 月 日摘 要随着以太网技术的不断成熟，以太网的可扩展性、成本低廉以及拥有大量的网络管理和故障排除工具而受欢迎，是目前使用最广泛的局域网技术，与现场总线相比，以太网技术具有很大的优越性。但是以太网的可靠性和实时性较差，所以以太网要应用到现场领域，必须
2、克服现场恶劣环境带来的负面影响，解决带宽、可靠性、实时性等问题。、关键词: STPRSTP算法；RPR弹性分组环算法；RFC3619协议；ITU-T G.8032协议；OPNET网络仿真AbstractAs Ethernet technology continues to mature, Ethernet scalability, low cost and have a large number of network management and troubleshooting tools and welcome, is the most widely used LAN technology,
3、 compared with the field bus to Ethernet technology has great advantages. However, the reliability and real-time Ethernet is poor, so the field of Ethernet to be applied to the scene, the scene must overcome the negative impact of adverse circumstances, to solve the bandwidth, reliability, real-time
4、 problems.The issue of redundant ring network using Ethernet technology to increase reliability, redundant technology mainly refers to: redundancy is to increase the surplus equipment to ensure the system more reliable, secure work. Application of redundancy to improve the whole user system, the ave
5、rage time to failure (MTBF), failure to shorten the average time to repair (MTTR), therefore, used for the important occasions of the control system, redundancy is essential. Self-healing ring network on Ethernet algorithm study to compare the STPRSTP algorithm, RPR algorithm, RFC3619 protocol, ITU-
6、TG.8032 agreements advantages and disadvantages of several algorithms, and to prepare for Ethernet ring networks algorithm agreement, its reliability analysis.In this paper, network modeling and simulation with OPNET modeler Ethernet ring network healing process, compared with the spanning tree, hea
7、ling time is greatly reduced, the future for Ethernet ring will be more in-depth research.Keywords: STPRSTP algorithm; RPR algorithm; RFC3619 protocol; ITU-T G.8032 an agreement; OPNET network simulation目 录摘要Abstract第一章 绪论11.1 千兆位以太网出现的背景11.2 研究意义1第二章 现有技术的研究32.1 STPRSTP算法32.2 RFC3619协议42.3 RPR弹性分组环
8、算法62.4 ITU-T G.8032协议6第三章 以太环网的自愈83.1 自愈状态转换83.1.1 环路空闲状态83.1.2 保护切换 链路失效9第四章 OPNET网络仿真164.1 OPNET仿真建模164.1.1 星形网络与环形网络的比较164.1.2 千兆以太环网断开与完整环网的比较224.1.3 百兆与千兆以太环网的比较254.2 结果分析26第五章 需要解决的问题和未来发展275.1 多环保护275.2 多域保护275.3 结束语28参考文献29致谢31第一章 绪论1.1千兆位以太网出现的背景以太网1是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。该标准定义了在局域网（LAN）中采用的
9、电缆类型和信号处理方法。从10M到10G，短短十几年间，以太网技术的发展完成了一个数量级的飞跃，新的高速以太网技术标准的形成，使以太网技术走出LAN的狭小空间并完全可以承担WAN和MAN等大规模、长距离网络的建设。另外，MPLS技术的发展和快速自愈STP技术1.2研究意义本课题用以太环网的冗余技术来增加可靠性，并对以太环网的自愈算法进行研究，比较STPRSTP算法、RPR弹性分组环算法、RFC3619协议、ITU-T G.8032协议等几种算法的优缺点，在此基础上提出新的以太环网的Ring自愈方法，对算法的格式、协议进行描述。并建立以太环网的拓扑结构，应用此算法，分析其性能。 第二章 现有技术
10、的研究以太网难以提供快速的业务保护和故障恢复机制是阻碍其在城域网内大规模部署的主要原因之一。人们不断为提高以太网技术可靠性付出努力，各种技术和标准也不断涌现。下面对四种典型的自愈算法进行比较。2.1STPRSTP算法当一个网桥收到带有拓扑改变（TC）标志为BPDU，按照以下两种方式进（支持多域）对STP有了较大的扩展和增强，依然无法满足电信级网络对于倒换性能的要求。2.2jjjj2.2RFC3619协议图2.1 环网当环上某条链路发生故障，例如S3和S4之间的链路发生故障时，S3和图2.2 网络的快速保护切换过程对于网络弹性来说，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。起源于S
11、DH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。RPR11采用互逆双环组网结构，定义了两种保护机制。一是环回方式，靠近故障的两端结点将数据流“环回”到另一个环上（如内环数据流到外环），通过长路径允许数据流维持与目的结点之间的连接。优点是故障切换的恢复时间非常短，只可能丢失极少量的报文，不会造成业务中断的情况；缺点是链路带宽利用效率不高。另一种是源路由方式，直接在业务的源点进行倒换，通过改变发送环向将数据流传送到目的结点，避免了带宽的浪费，但是由于需要重新收敛，恢复时间较长。RPR的Wrapping和Steering保护较为成熟，但是需要硬件支
12、持。 RPR定义了全新的帧结构，是一种双层MAC地址的帧结构。RPR帧通过增加一些特殊字段如生存时间、Control相关环网控制字段，使RPR定位于一个环网协议和技术。RPRMAC协议也与普通以太网完全不同，RPR交换除了依靠外层MAC地址f用于标识环节点设备)， 还要依靠生存时间、Control等字段以完成环路选择、帧生存期检查等操作。RPR还定义了独立完备的只用RPR技术的运行管理和维护(OAM)帧和协议，用于拓扑发现、故障检测、性能检测、公平性控制等。 由于RPR需要使用额外的硬件才能支持，用户投资高，升级维护困难，主流设备厂商逐渐放弃了对它的支持。2.4ITU-T G.8032协议G.
13、803212定义了环拓扑的以太网自动保护切换机制。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)。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
14、网OAM的CC检测到第三章 以太环网的自愈3.1自愈状态转换以太环网上网自愈过程如图3.1所示环路空闲状态故障恢复状态链路失效状态图3.1状态转换图3.1.1环路空闲状态环路保护协议(ERP) 15通过阻塞链路，确保不会成环(Loop)（1和2之间的图3.3 逻辑拓扑3.1.2保护切换 链路失效由于故障相临的节点检测到链路故障；与故障链路相临的节点使用故障报文向环上的其他节点报告故障；同时启动延时定时器，如果定时器耗尽，自动刷新MAC表项；图3.4 物理拓扑3.1.3保护切换 故障恢复定义S5为临时主节点，当S5发送报文S4能接收到该报文时，则链路恢复；注：主节点S1的主端口P1发送报文P2能
15、接收到，则链路恢复，此做法用于备用；3.2协议格式Ring协议14的帧长度60个字节，如表所示。Ethernet Type 使用0x88B7(IEEE 802.a OUT Extended Ethertype)。表3-2 Ring帧结构目的地址(6byte)源地址(6byte)类型(2byte)组织号(3byte)协议版本(2byte)数 据（41byte）DA：Destination Address 6位目的MAC地址SA：Source Address 6位源MAC地址第五章 需要解决的问题和未来发展5.1多环保护对于多环17的保护，目前已经出现了几种不同的研究模型，包括共享链路模型和子环模
16、型。共享链路模型中，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，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，而共享链路的故障，则通过比较优先级触发共享链路所连接的高优先级的那个环进行保护倒换。这种机制依赖多环优先级的固定分配，确保多换环结构正确倒换，避免形成超环。子环模型中没有共享链路的概念，而是把每个多环拓扑看成由一个封闭的主环及多个非封闭的子环构成的，每个子环通过两端的节点与其他的环或子环相连接。主环和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。5.2多域保护目前大量网络应用的是Overlay模型，多环多
17、域问题是在组网中碰到的一个实际问题。解决多域的网络保护问题也是未来技术发展的一个方向，如接入网和核心网络属于不同的物理域或者不同的管理域，也可能采用不同的保护协议。一个典型的多域问题，PBN是接入环网，核心网是一个PBBN。PBN通过核心网络的两个节点（节点B和节点C）经节点f和节点g 接入PBBN 核心网中。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域的流量进行保护。对不同协议域对接的情况，特别是以太环网保护和STP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
18、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。以太环网接入VPLS网络的保护，也需要类似的机制。多保护协议之间的互通，也给运营商或企业网络提供了更多的选择，可以灵活配置不同的网络保护协议。5.3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。参考文献1 庞军、杨宇星.以太网发展趋势和技术前瞻J.中国数据通信，2004，22(1)：56592 江代有.千兆以太网技
19、术J.现代电子技术，2003，164(21)：10113 中兴通讯技术专栏.以太网弹性技术及发展J.电信网技术，2009，22(1)：70754 DCS系统冗余技术的实现和分析EB5 郭军.网络管理（第3版）M.北京：北京邮电大学出版社，20076 中国IT实验室. 详解生成树协议STP/RSTP EB7 吕俏、刘启文、石冰心.STP协议原理的算法与实现示例EB8 张劲松.以太网交换机快速生成树协议的研究与实现DB. 中国学位论文全文数据库9 S.Shah M.Yip.Ethernet Automatic Protection Switching (EAPS)J.Extreme Network
20、s，Version 1,Oct.200310 吉萌、詹翊春、余少华. 以太环网的路径保护和恢复算法的研究和实现J. 小 型微型计算机系统，2006，27(4)：57657911 张永军、尧昱、顾婉怡.电信级以太环网技术的研究 J.中兴通讯技术，2008，14(6)：182112 13 詹翊春.以太网线性保护与环网保护EB14 陶春梅.弹性分组环技术的拓扑发现过程D.重庆大学，200415 ITU-T Q9 SG 15. G.8032 Ethernet Ring Protection Overview16王明辉.一种以太环网保护方法和传输节点P. 中国专利:200810056536.X, 200
21、8-07-0917 中国通信网. 以太网弹性技术及发展EB致 谢时间总是短暂，转眼间，本文已到收尾环节。致谢时间，意味着我的学生时代即将结束，马上就是分离道别的时候了。回想这短短半年来，从本课题的选题到本论文的顺利完成，一直离不开周围老师，同学，朋友，家人的帮助，在这里，请所有关心爱护我的人接受我最诚挚的谢意！大学四年来，我感觉自己成长了很多很多，这都要感谢陪伴我度过4年美好时光的可爱的同学们，是他们营造了团结友爱，和和美美的班级大家庭，给了我美好快乐的大学校园生活；要感谢学院领导、老师给予我的优异的学习环境和自由健康的成长空间；要感谢我的家人在生活、精神方面给予的最大支持和无私的关心，让我无忧无虑的享受大学生活带给我的无限欣喜。特别要感谢我的导师黄秀珍老师。这篇论文就是在老师亲切关怀和细心指导下完成的。老师宅心仁厚，闲静少言，不慕荣利，对学生认真负责，在她的身上，我们可以感受到一个学者的严谨的学风和务实的工作作风，这些都让我获益菲浅，并且将终生受用。“经师易得，人师难求”，希望借此机会向黄老师表示最衷心的感谢！最后要感谢一直关心我爱护我支持我，在各方面给予我帮助的家人朋友，让我有了更多的信心和动力迎接美好的未来。感谢所有爱我疼我的人儿，因为他们我的世界才更加完整与美好！再次感谢所有伴随我成长的老师，同学，家人！谢谢大家！
