以太网二层静态环路保护技术分析

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也不作涉及,它到底是什么,?-,包括的协议,因此,可以清楚知道它包括了以下的一系列协议:,ERP,(Ethernet Ring Protection Switching) Ericsson,、,Overture,RRPP,(Rapid Ring Protection Protocol) -HW,、,H3,ZESR,(ZTE Ethernet Smart Ring) -ZTE,RCPR,(Raisecom Protection Ring) -Raisecom,RERP,(Rapid Ethernet Ring Protection) -,锐捷,Turbo-Ring,v1/v2 -MOMA,DT-Ring/DT-Ring+,-,东土,OESS,-,北电,大多为私有协议,之间并不互通,目录,以太网二层静态环路保护技术到底是什么,包括的协议,介绍其作用,回忆它的过去,产生的背景,发展史,介绍它的现在,RRPP,简介,ERP,简介,协议对比,预测它的将来,ERP,一统天下?,七国八制,协议互通?,它到底是什么,?-,作用,破环,:在以太二层网络上变环为链,避免环路,(注意网络成环本身不是问题,根本问题是以下的几点),防止广播风暴,:二层网络环路将导致广播风暴(没有三层网络的,TTL,机制),网络带宽的无效占用、网络设备的,CPU,、内存等资源的无效占用。,防止,MAC,地址学习错误,:环路将导致同一个,MAC,地址在多个端口之间来回震荡,从而可能指导二层流量转发错误。,X,它到底是什么,?-,作用,保护,:提供备份的数据通路,应对网络故障,(,重点,),X,以太网动态二层环路保护协议,因为环未知,(,不知有无担心出现,/,已出现成环迹象但不知在哪),因此主要作用是破环,以太网静态二层环路保护协议,因为环已知,因此主要作用是保护,目录,以太网二层静态环路保护技术到底是什么,包括的协议,介绍其作用,回忆它的过去,产生的背景,发展史,介绍它的现在,两种具有方案代表性的协议对比,预测它的将来,ERP,一统天下?,七国八制,协议互通?,回忆它的过去,-,产生的背景,在实际的应用中存在一些小型网络,其包含设备数量相对较少,拓扑相对固定(设备、链路的添加和移除较少),在这样的网络中也存在一些引起故障和震荡的因素(链路故障、节点故障、线缆,/,接口接触不良、配置变更等等),动态环路保护在应对这样的情况时存在一些问题,收敛时间过长,:,STP,的收敛时间至少是,30s,(,Forward Delay,默认,15s,),RSTP,的收敛时间也经常在秒级别,特别是随着网络中节点数的增多和拓扑结构的复杂 化, 收敛时间会进一步增大,那这样的收敛时间是否满足要求呢?,回忆它的过去,-,产生的背景,Disabled,Listening,Blocking,Forwarding,Learning,1,),端口,enabled,2,),端口,disabled,3,),端口被选为根端口或指定端口,4,),端口被选为备用端口(阻塞),5,),Forward Delay,延时,(,1,),(,2,),(,1,,,2,),(,1,,,2,),(,1,,,2,),(,1,),(,2,),(,4,),(,4,),(,5,),(,4,),(,5,),(,3,),STP,状态自动机,根据和,MEF 2,的定义,网络保护的时间模型如图所示,回忆它的过去,-,产生的背景,保护倒换时间不等于业务恢复时间。,保护倒换时间,=,故障检测时间保持时间故障通告时间保护操作时间,为了确保保护倒换时间达到电信级的,50ms,要求,则需分别努力缩短故障检测、通告和倒换的时间,回忆它的过去,-,产生的背景,MEF,对于业务恢复时间定义分级标准,分成了,4,类,50ms,恢复时间,-,典型的电信级以太网业务,200ms,恢复时间,-,部分实时业务,(,如语音业务,),2s,恢复时间,5s,恢复时间,-,基于,TCP,的应用,ITU-T,对于线性保护和环网保护,保护倒换时间都要求,在,50ms,以内,两者所描述的对象略有差别,但考虑到两者一般差别不大,且业务恢复更具有实际意义,因此测试时一般以均以业务在,50ms,内恢复为准,因此,xSTP,不可能满足要求,回忆它的过去,-,产生的背景,可能造成网络资源的浪费,:由于需要破环,需要阻塞一些端口,/,链路,,当拓扑高度冗余的时候,会造成网络资源,的浪费,x,x,x,x,x,x,STP,x,EAPS,VS,回忆它的过去,-,产生的背景,转发路径难以预测,:当拓扑较为复杂时,若没有经过特定配置,节点上到,底那个端口阻塞比较难预测,(尤其是优先级靠后的几个参数),x,EAPS,VS,STP,根桥,ID,,根路径开销,指定桥,ID,,指定端口,ID,,,接收端口号,目录,以太网二层静态环路保护技术到底是什么,包括的协议,介绍其作用,回忆它的过去,产生的背景,发展史,介绍它的现在,RRPP,简介,ERP,简介,协议对比,预测它的将来,ERP,一统天下?,七国八制,协议互通?,回忆它的过去,-,发展史,EAPS,RRPP,ZESR,ERP,Extreme,公司在,2003,年提出了,EAPS,保护技术,并在,IETF,发布了,RFC3619,,它的核心思想是,标准,MAC,交换,+,改进的生成树算法,+,以太网故障检测机制,+,简单的环网控制协议,。,虽然只是报告(,Informational,)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。,为了实现以太网二层静态环路保护协议的标准化,,ITU-T,的,Study,Group15,,从,2006,年,2,月立项开始研究,在,2008,年,6,月成功发布了,ERP,协议的第一个版本,G.8032,,随后又在,2009,年,4,月、,2009,年,9,月和,2010,年,3,月进行了多次修正和增补,协议本身正逐渐趋于完善,目录,以太网二层静态环路保护技术到底是什么,包括的协议,介绍其作用,回忆它的过去,产生的背景,发展史,介绍它的现在,RRPP,简介,ERP,简介,协议对比,预测它的将来,ERP,一统天下?,七国八制,协议互通?,介绍它的现在,-,选这两个的原因和目的,以太网二层环路保护协议很多,为什么单单选这两个,支持两种协议的公司在业界的地位较高,支持这两种协议的相关产品种类较多,最重要的是这两种协议分别代表了两种多环的实现方案,作比较的目的:,它山之石,可以攻玉,开拓眼界,提高测试技术,总结出两种实现方案共性的东西及这样实现的原因,通过比较分析出各重要功能点实现方式的优缺点,介绍它的现在,-RRPP,RRPP,组成要素,RRPP,域由整数表示的,ID,来标识,一组配置了相同的域,ID,和控制,VLAN,,并且相互联通的交换机群体构成一个,RRPP,域,一个,RRPP,域具有如下的组成要素:,两种,RRPP,环,:,主环、子环,四种节点,:,主节点、传输节点、,边缘节点和辅助边缘节点,四种端口角色,:,主端口、副端口,公共端口、边缘端口,两种,VLAN:,控制,VLAN(,主,/,子),数据,VLAN,三种典型组网,:,单环、相交环、相切环,主节点,/,环两种状态,:,Complete State,Fail State,传输节点三种状态:,Link-Up State,Link-Down State,Pre-forwarding State,(临时阻塞),主环,子环,主环主节点主端口,子环主端口,公共端口,公共端口,主环主节点,子环主节点,主环主节点副端口,子环主节点副端口,传输节点,传输节点,边缘节点,辅助边缘节点,边缘端口,边缘端口,介绍它的现在,-RRPP,RRPP,的定时器,Hello Timer,:,hello,报文的发送间隔(主节点),两种定时器的在主节点上的作用在于检测环状态,Fail Timer,:,hello,报文的超时时间(主节点),自行开放临时阻塞端口的等待时间(传输节点),介绍它的现在,-RRPP,RRPP,基本原理,每个域上所有节点配置相同的,RRPP,域,ID,和控制,VLAN,。,每个域拥有两个控制,VLAN,,主控制,VLAN,和子控制,VLAN,。,(只需要手动指定住控制,VLAN,子控制,VLAN,为主控制,VLAN+1,),主环协议报文在主控制,VLAN,中传播,子环协议报文在子控制,VLAN,中传播。,主环节点上的,RRPP,端口同时加入主控制,VLAN,和子控制,VLAN,,子环上的,RRPP,端口只加入子控制,VLAN,。,子环的协议报文在主环中视为数据报文处理,与数据报文实现同步阻塞,/,放开。,介绍它的现在,-RRPP,Polling,机制,-,环状态检测,Polling,机制是,RRPP,环的主节点主动检测环网健康状态的机制。主节点周期性的从其主端口发送,HELLO,报文,依次经过各传输节点在环上传播。如果主节点能够从副端口收到自己发送的,HELLO,报文,说明环网链路完整;否则如果在规定时间内收不到,HELLO,报文,就认为环网发生链路故障。,处于,Failed,状态的主节点从副端口收到自己发送的,HELLO,报文,立即迁移到,Complete,状态,放开副端口并刷新,FDB,,而且还会从主端口发送,COMPLETE_FLUSH_FDB,报文通知所有传输节点放开临时阻塞端口和刷新,FDB,。,RRPP,介绍它的现在,-RRPP,链路状态变化通知机制,-,环状态通知,链路状态变化通知机制提供了比,Polling,机制更快环网拓扑改变的处理机制,这一机制的发起者是传输节点。传输节点总是在监测自己的端口链路状态,一旦端口链路状态改变为,Down,时,它就会通过发送,LINK-DOWN,报文把这种变化通知主节点,然后由主节点来决定如何处理;端口链路状态改变为,Up,时,无需发送报文通知主节点。,介绍它的现在,-RRPP,主环上子环协议报文通道状态检查机制,这一机制应用在多子环与主环相交的组网中。子环的协议报文需要通过主环提供的通道在边缘节点和辅助边缘节点的边缘端口之间传播,就好像整个主环是子环上的一个节点。当主环链路出现故障,边缘节点与辅助边缘节点间子环协议报文的通道中断(主环中与子环的公共链路故障,并且有一条以上的非公共链路故障)时,子环主节点将收不到自己发出的,Hello,报文,于是,Fail,定时器超时,子环主节点迁移到,Failed,状态,放开副端口。,介绍它的现在,-RRPP,单环,RRPP,协议作用过程,以单环为例,以环网状态从健康,-,故障,-,健康的变化过程为线索,来描述,RRPP,协议的运行细节和拓扑收敛过程,健康状态(,Complete State,),当整个环网上所有链路都处于,UP,状态时,,RRPP,环处于健康状态,主节点的状态反映整个环网的健康状态。环网处于健康状态时,为了防止其上的数据报文形成广播环路,主节点阻塞其副端口。主节点从其主端口周期性的发送,HELLO,报文,依次经过各传输节点,最后从主节点副端口回到主节点。,介绍它的现在,-RRPP,链路故障,当传输节点交换机上的,RRPP,环上发生链路,DOWN,时,链路两端节点各发送,LINK-DOWN,报文通知主节点,,LINK-DOWN,上报过程如图所示,介绍它的现在,-RRPP,主节点收到,LINK-DOWN,报文后,立即将状态切换到,Failed,状态,放开副端口。由于网络拓扑发生改变,以免报文定向错误,主节点还需要刷新,FDB,表,并从主端口发送,COMMON-FLUSH-FDB,报文通知所有传输节点刷新,FDB,。主节点状态向,Failed,状态迁移过程如图所示。,介绍它的现在,-RRPP,故障恢复,当传输节点交换机上的,RRPP,端口发生恢复时,传输节点迁移到,Preforwarding,状态,并阻塞刚刚恢复的端口。传输节点端口恢复时的处理过程如图所示。,介绍它的现在,-RRPP,环网恢复的过程是由主节点主动发起的,主节点周期性的从主端口发送,HELLO,报文,环网上的故障链路全部恢复后,主节点将从副端口收到自己发出的检测报文。,主节点收到自己发出的,HELLO,报文后,首先将状态迁移回,Complete,状态,阻塞副端口,然后从主端口发送,COMPLETE_FLUSH_FDB,报文。传输节点收到,COMPLETE_FLUSH_FDB,报文后,迁移回,Link-Up,状态,放开临时阻塞端口,并刷新,FDB,表。环网恢复的处理过程如图所示。,介绍它的现在,-RRPP,如果不幸,COMPLETE_FLUSH_FDB,报文在传播过程中丢失,还有一种备份机制来实现传输节点临时阻塞端口的恢复,就是传输节点处于,Preforwarding,状态时如果在规定时间(由,Fail,定时器定义)内收不到主节点发来的,COMPLETE_FLUSH_FDB,报文,自行放开临时阻塞端口,恢复数据通信。,fail,fail,介绍它的现在,-RRPP,报文类型,说明,HELLO,由主节点发起,对网络环路完整性进行检测:,主节点从主端口周期性发送,HELLO,报文,如能够在规定时间内于副端口收到,则环网完整,如不能在规定时间内于副端口收到,则环网故障,LINK-DOWN,由传输节点、边缘节点、辅助边缘节点发起,在自身链路,down,时通知主节点环路消失,COMMON-FLUSH-FDB,由主节点发起,在,RRPP,环迁移到,Failed,状态时通知传输节点更新各自,MAC,表项和,ARP/ND,表项,注意:主环上节点收到子环主节点发送的该报文,亦需刷新,MAC,表项和,ARP/ND,表项,COMPLETE-FLUSH-FDB,由主节点发起,在,RRPP,环迁移到,Complete,状态时通知传输节点更新各自,MAC,表项和,ARP/ND,表项,同时通知传输节点解除临时阻塞端口的阻塞状态,注意:主环上的节点收到子环的此报文,只刷新,MAC,表项和,ARP/ND,表项,不放开阻塞的端口,单环报文,介绍它的现在,-RRPP,单环报文,5,表示,HELLO,报文,6,表示,COMPLETE-FLUSH-FDB,报文,7,表示,COMMON-FLUSH-FDB,报文,8,表示,LINK-DOWN,报文,Destination MAC Address:48bits,协议报文的目的MAC地址,范围是0x000FE20782170x000FE2078416。,Source Mac Address:48bits,协议报文的源MAC地址,总是0x000fe203fd75。,EtherType:8bits,报文封装类型域,总是0x8100,表示Tagged封装。,PRI:4bits,COS(Class of Service)优先级,总是0xe0。,VLAN ID:12bits,报文所在VLAN的ID。,Frame Length:16bits,以太网帧的长度,总是0x48。,DSAP/SSAP:16bits,目的服务访问点/源服务访问点,总是0xaaaa。,CONTROL:8bits,总是0x03。,OUI:24bits,总是0x00e02b。,RRPP Length:16bits,RRPP协议数据单元长度,总是0x40。,RRPP_VER:16bits,RRPP版本信息,当前是0x0001。,RRPP Type:8bits,RRPP协议报文的类型。5表示HELLO报文;6表示COMPLETE-FLUSH-FDB报文;,7表示COMMON-FLUSH-FDB报文;8表示LINK-DOWN报文;,10表示EDGE-HELLO报文;11表示MAJOR-FAULT报文。,Domain ID:16bits,报文所属RRPP域的ID。,Ring ID:16bits,报文所属RRPP环的ID。,SYSTEM_MAC_ADDR:48bits,发送报文节点的桥MAC。,HELLO_TIMER:16bits,发送报文节点使用的Hello定时器的超时时间,单位为秒。,FAIL_TIMER:16bits,发送报文节点使用的Fail定时器的超时时间,单位为秒。,LEVEL:8bits,报文所属RRPP环的级别。,RRPP,报文参数,介绍它的现在,-RRPP,RRPP,相交环原理,多环的情况与单环大致相同。多环与单环的不同之处在于多环中加入了主环中子环协议报文通道状态检测机制,在通道中断子环主节点副端口放开之前,先阻塞边缘节点的边缘端口来防止子环间形成数据广播环路(因为同域中所有子环使用同一个协议,vlan,),详细情况,见,主环上子环协议报文通道状态检查机制,。,另外,主环上节点收到子环的,COMMON-FLUSH-FDB,或者,COMPLETE-FLUSH-FDB,报文时,都会导致刷新,FDB,表;子环的,COMPLETE-FLUSH-FDB,不会导致主环传输节点放开临时阻塞端口,只有收到主环自己的,COMPLETE-FLUSH-FDB,报文才会这样做。,介绍它的现在,-RRPP,RRPP,相切环原理,目录,以太网二层静态环路保护技术到底是什么,包括的协议,介绍其作用,回忆它的过去,产生的背景,发展史,介绍它的现在,RRPP,简介,ERP,简介,协议对比,预测它的将来,ERP,一统天下?,七国八制,协议互通?,介绍它的现在,-ERP,ERP,组成要素,RPL Neighbour Node,RPL Owner Node,RPL,两种,ERP,环,:,Major-ring,、,Sub-ring,两种特殊链路,:,Ring Protection Link,、,share link,三种节点,:,RPL Owner Node,、,RPL Node,、,Interconnection Node,三种典型组网,:,单环、相交环、相切环,Interconnection Node,Major-ring,Sub-ring,Interconnection Node,RPL Owner,Port,share link,介绍它的现在,-ERP,ERP,的定时器,WTR,(Wait to Restore):SF,的恢复延时,WTB,(,Wait to Block,):Forced Switch/Manual Switch,的恢复延时,Hold-off timer,:SF,的通告延时,Guard timer,:,恢复的通告延时,四种定时器的作用均在于防止拓扑震荡,其中,Guard timer,是防止之前发送的,R-APS(SF),报文仍在环上转发导致状态在恢复,SF,之间震荡,因此一般根据环的大小设置为大于,R-APS(SF),报文在环上传一周所需时间,介绍它的现在,-ERP,三种典型组网,Major-ring,Sub-ring,Normal-ring,Normal-ring2,Normal-ring1,介绍它的现在,-ERP,环上,RPL Owner node,双向发,R-APS(NR,RB,NFS),报文,来监测节点间链路状态,(,只有,RPL Owner node,发,,其他节点不发),健康状态,(Idle state),Physical topology,1,2,6,4,3,5,RPL,Logical topology,1,2,6,4,3,5,同样以单环为例,以环网状态从健康,-,故障,-,健康的变化过程为线索,来描述,ERP,协议的运行细节和拓扑收敛过程,Ring-Automatic Protection Switching,R-APS,:,RPL Owner,RPL,R-APS,R-APS,R-APS,R-APS,R-APS,R-APS,R-APS,R-APS,R-APS,R-APS,R-APS,R-APS,介绍它的现在,-ERP,RPL Owner,RPL,R-APS(SF),R-APS(SF),R-APS(SF),R-APS(SF),发生故障,(Signal Failure),环上某处发生故障,两端节点,检测到故障后,起定时器,等待,hold-off time,后向两端逐跳,扩散,R-APS (SF),报文,报文触发两个动作,1.RPL Owner,收到后阻塞,RPL,2.,所有收到报文的节点,清,MAC,表中动态表项,Logical topology,1,2,6,4,3,5,1,2,6,4,3,5,x,Physical topology,介绍它的现在,-ERP,故障恢复,(Failure Recovery),RPL Owner,RPL,R-APS(NR),R-APS(NR),R-APS(NR),R-APS(NR),R-APS(NR, RB),R-APS(NR, RB),1,、当链路恢复后,恢复链路的两 端节点立即阻塞,up,起来的端口,2,、两端节点发送,R-APS(NR),报文,向两端逐跳扩散,3,、,RPL Owner,收到,NR,报文后启动,WTR,定时器,超时后阻塞,RPL,Owner port,发出,R-APS(NR,NB),报文逐跳扩散,4,、恢复链路的两端节点收到报文后,打开先前阻塞的端口,清,MAC,表中动态表项,至此,环状态恢复至健康状态,Physical topology,1,2,6,4,3,5,RPL,R-APS(SF),R-APS(SF),R-APS(SF),R-APS(SF),R-APS(SF),R-APS(SF),R-APS(SF),介绍它的现在,-ERP,从健康,-,故障,-,健康的流程演示,RPL Owner Node,RPL,Hold-off time,R-APS(NR,RB,DNF),R-APS(NR,RB,DNF),R-APS(NR,RB,DNF),R-APS(NR,RB,DNF),R-APS(NR,RB,DNF),R-APS(NR,RB,DNF),Hold-off time,R-APS(NR),R-APS(NR),R-APS(NR),R-APS(NR),R-APS(NR),R-APS(NR),R-APS(NR),R-APS(NR),R-APS(NR),R-APS(NR),WTR,Guard time,Guard time,RPL Neighbour Node,R-APS(NR,RB),R-APS(NR,RB),R-APS(NR,RB),R-APS(NR,RB),R-APS(NR,RB),R-APS(NR,RB),介绍它的现在,-ERP,R-APS,报文,0000 NR,1011 SF,0111 Maunl block,1101 Force block,1110 Event,0000 Flush Request,RPL Blocked,Do Not Flush,Blocked Port Reference,介绍它的现在,-ERP,报文举例,R-APS(NR,RB),目录,以太网二层静态环路保护技术到底是什么,包括的协议,介绍其作用,回忆它的过去,产生的背景,发展史,介绍它的现在,RRPP,简介,ERP,简介,协议对比,预测它的将来,ERP,一统天下?,七国八制,协议互通?,介绍它的现在,-,协议对比,因为同源,所以相同点较多,不同点较少,RRPP,ERP,环状态监测,Hello,R-APS(NR,NB,DNF),环故障通告,LINK-DOWN,R-APS (SF),环,fail,通知,+,清表项,COMMON-FLUSH-FDB,R-APS (SF),环恢复通知,Hello,R-APS(NR),临时阻塞,Pre-forwarding State,Pre-forwarding State,环,complete,临时阻塞放开,+,清表项,COMPLETE-FLUSH-FDB,R-APS(NR,NB),介绍它的现在,-,协议对比,环中链路状态的监测方法,从头到尾单方向检测,使用私有单播报文,Hello,独占,vlan,链路上,RPL Owner node,双向发送,使用标准协议组播报文,R-APS(NR,RB,NFS),独占,vlan,且报文优先级最高,分析,:RRPP,的,hello,报文单向发送,受到,QOS,或其他意外情况影响可能性较大,在带宽充足的情况下,独占,vlan,完全排除了数据报文影响导致丢弃的可能,在带宽不足的情况下,报文丢弃策略偏向于丢弃优先级低的,,ERP,更有优势,RRPP,ERP,VS,介绍它的现在,-,协议对比,环故障通知改逻辑拓扑,故障链路两端节点先通知主节点,主节点再发,COMMON-FLUSH-FDB,通知其他节点清,MAC,过程由主节点控制,故障链路两端节点沿两端逐节点通知,+,清,MAC,,直到主节点,VS,RRPP,x,主节点,ERP,x,RPL,分析:分散控制比集中控制更为安全,防止因主节点问题导致整网逻辑拓扑不能改变,介绍它的现在,-,协议对比,主子环划分方式不同,共享链路子环划分模型,Major-ring,Sub-ring,Share-link,RRPP,Sub-ring,子环划分模型,Sub-ring,Major-ring,Major-ring link,ERP,子环协议报文必须走共享链路或主环链路,子环协议报文可以不上主环,介绍它的现在,-,协议对比,对于多,VLAN,的支持方法不同,多域多环,各域独立,VLAN,无域多环,各环独立,VLAN,最终网络为复合环叠加,最终网络为独立环叠加,预测它的未来,以太网二层环路保护协议的发展方向,ERP,以其标准性和相对完善性,必将在未来逐渐成为主流,因为各设备商多年来已经在私有协议上投入了大量人力物力,现网上也有着大量应用,在可预见的短时期内,放弃自己的私有协议转而支持,ERP,并不现实;更由于这些私有协议与,ERP,同源,同时支持公私协议的可能性也比较小。因此在可预见的短时期内,仍然会是七国八制的混乱局面,对于多域多环的研究仍将是以后的重点之一,由于已经标准化,协议所支持的网络类型有可能增加,协议的精华思想可能会融入其他业务中去,形成一些新的解决方案,随着,ERP,标准化的推进,互通的需求将进一步上升,私有协议厂商有可能在自己现有的基础上增加与,ERP,互通的特性,
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