摘要
传统以太网双归保护是一种由一个以太网节点通过主备两条链路连接到另外一个网络区域的组网和保护技术，提高了以太网的可靠性，但是不能适应电信级以太网的分布式组网和新技术高可靠性要求。本文阐述了基于分布式的电信级以太网双归保护技术，研究了该技术的组网模型、保护倒换、恢复切换等关键技术。
1 引言
以太网的应用范围逐渐扩大，正迅速地从局域网向城域网甚至广域网等大范围的组网技术发展，成为一种电信级技术，特别是当前以太网在电信网中承载了越来越多的高服务质量电信业务，如3G移动通信，NGN语音，IPTV视频等，当网络出现故障不能迅速恢复时，就会产生明显的语音、视频抖动，甚至业务挂起或者断链，导致业务质量无法满足需求，因此低可靠性已经成为以太网发展的一个瓶颈。MEF(Metro Ethernet Form，城域以太网论坛)定义了电信级以太网的概念，可靠性是其必要条件，电信级以太网双归保护技术也随之应运而生。
2 双归保护技术
2.1 传统的以太网双归保护
传统的以太网双归保护通常定义为由一个以太网节点通过主、备两条链路连接到另外一个网络区域的组网和保护技术，主要原理为：在以太网节点上引入双归组网，即以太网双归节点，当以太网双归节点和其他区域的网络连接时，该节点和其他区域网络之间建立两条链路，其中一条为主链路，另外一条为备链路，该双归节点成为一个双归保护域。当主链路和备链路都完好时，双归节点打开主链路的端口，阻塞备链路的端口，流量在主链路上传输(见图1a);当主链路出现故障时，双归节点阻塞主链路的端口，打开备链路的端口，流量切换到备链路上传输，形成新的传输路径(见图1b)。
图1 传统的以太网双归保护
这种传统的以太网双归组网技术的双归保护域中只有一个节点，保护倒换动作只在该节点进行，因此也称为集中式双归保护。集中式双归的组网模型相对比较简单灵活，保护倒换时间在50ms以内，特别适用于城域网中的接入层网络，因此在接入网中得到了广泛的应用。集中式双归的组网中，每个双归节点都有两条链路与其它网络区域连接，通常情况下，只有一条链路可用于传输流量，链路的利用率较低。当网络中双归节点过多时，链路资源的浪费很大，而且网络中链路连接复杂，使得以太网经济简单的优势大为减少。此外，当双归节点本身故障时，该节点无法保护倒换，所承载的业务将全部丢失，可靠性较低。因此，集中式双归的组网模型主要适用于节点比较少，链路资源比较丰富并且可靠性不是很高的网络，无法满足电信级的大规模分布式网络和高可靠性要求。
2.2 分布式的电信级以太网双归保护
(1)双归保护概念的扩展
为了满足电信级以太网的分布式网络规模大、可靠性要求高的要求，对传统的以太网双归保护概念进行了扩展，定义双归保护为由一个以太网区域网络通过主、备两条链路连接到另外一个网络区域的组网和保护技术，因此双归域不再限定为单个节点，而可能是分布式的多个节点甚至为一个网络云，由此引入了多节点和多网络层次的分布式电信级以太网双归保护。
(2)分布式多节点双归保护
分布式多节点双归的组网模型中，多个以太网节点之间连接组成一个以太网络，这个以太网络通过主、备两条链路与另外一个网络区域相连接。多节点双归网络与外部连接的主、备链路、多节点双归网络的内部节点和链路组成了一个双归保护域。当双归保护域中的链路都为完好时，备链路相邻的节点阻塞备链路的端口;当双归保护域中出现链路故障时，故障链路相邻的节点检测到链路故障后，通过发送协议帧的方法通知备链路相邻节点打开原先阻塞的备链路的端口。
分布式多节点双归的组网中，备链路还可以选择为双归保护域内部节点之间的连接链路，这样使得双归保护域中节点同其他网络区域通信时，不同节点的流量从不同的路径传输，分散了链路的负担(见图2)。
图2 分布式多节点双归保护组网模
进一步扩大双归保护域的范围，甚至能够将其定义为一个能够传输以太网数据和双归保护协议帧的网络云，分布式电信级以太网双归保护应用的领域将更广，例如两个网络区域之间的NNI(Network to Network Interface，网络间接口)接口保护等，图3所示为两个PBB(Provider Backbone Bridge，运营商骨干桥接，标准为IEEE 802.1ah)域之间的NNI接口用分布式电信级以太网双归保护技术的组网。
在分布式多节点以太网双归保护技术中，多个以太网节点共享了主备链路，有效地节省了链路资源，当网络中节点较多时，整体的组网结构比较简单和统一，因此能够支持较大规模的以太网组网。当双归保护域中出现节点故障时，其他节点会进行保护倒换，流量绕过故障节点保持连通，只有通过故障节点接入的流量会受到影响，提高了整个双归网络的保护可靠性。
(3)分布式多网络层次双归保护
随着以太网的规模越来越大，网络层次化的需求越来越多，单独的集中式双归组网和分布式多节点双归组网技术都难以应对这些组网需求，因此进一步引入分布式多网络层次的双归组网。
图4所示的是分布式多网络层次的双归组网模型示意图，其中包括了集中式双归组网和分布式多节点双归组网技术的综合应用。每层双归组网之间各自进行保护倒换，不需要协议的互通。当每层网络的链路正常时，分别阻塞各自的备链路;当某个双归组网的链路出现故障时，本双归域打开备链路，形成新的通信路径，其他层次的双归网络不需要感知这个故障，对网络故障的影响范围进行了隔离，简化了不同层次网络之间的耦合性。
图4 分布式多网络层次的双归组网模型
在分布式多网络层次的双归组网模型中，集成了集中式双归和分布式多节点双归技术的优点，并引入了层次化的概念，使得网络之间容易隔离，安全性更好，有效控制广播域，提高了以太网的组网能力，适应于大规模的城域以太网，因此能够广泛应用于电信级以太网的各个层次组网。
2.3 分布式以太网双归保护的关键技术
传统的集中式以太网双归保护中，双归域只有单个节点，保护倒换时只需要在本地完成，不需要和其他节点进行协商，实现比较简单。而在分布式电信级以太网双归保护技术中，双归域中有多个节点，节点之间需要通过协议来相互请求事件，并且切换时间要求低于50ms。
(1)保护倒换
在分布式电信级以太网双归组网中，当双归保护域中的节点检测到双归保护域内的链路出现故障，或者收到保护倒换请求(如手工切换、强行切换命令)时，检测到保护倒换请求的双归节点启动保护倒换进程。
检测到保护倒换请求的双归节点还需要通知其他节点进行保护倒换，首先阻塞自身的故障端口或者保护倒换指定端口，接着打开自身的其他非故障端口，然后通过发送保护倒换协议帧，通知其他节点保护倒换。为了防止协议帧丢失，通常该节点需要持续地发送协议帧，其他节点收到保护倒换协议帧后，打开非故障端口，使得流量可以从原先的备链路通过。由于流量的传输路径发生了变化，双归保护域中的每个节点还需要刷新地址表，然后流量会重新广播和地址学习，建立新的传输路径，完成保护倒换过程。故障保护倒换的流程如图5所示。
图5 故障保护倒换的流程图
(2)恢复切换
当双归保护域的链路处于故障状态，或者已经收到保护倒换请求进行倒换后，如果出现故障恢复或者保护倒换命令清除事件，则需要进行恢复切换。在分布式电信级以太网双归保护技术中，有两种切换模式，即反转模式和非反转模式。
在反转模式中，当双归保护域进行恢复切换时，需要将流量回切到故障发生前的路径，在这个过程中会有流量中断。节点检测到故障恢复或者保护倒换命令清除事件后，检测到恢复的节点首先发送保护倒换无请求协议帧通知备链路相邻节点，备链路相邻节点收到保护倒换无请求协议帧后，启动一个等待恢复定时器，在等待定时器过期后，如果仍然没有收到新的保护倒换请求，则重新阻塞备链路端口，然后发送备链路阻塞状态协议帧通知其他节点进行恢复切换。其他节点收到备链路阻塞状态协议帧后，打开非故障端口，使得流量可以从原先的故障或者阻塞链路通过，由于流量的传输路径发生了变化，双归保护域中的每个节点还需要刷新地址表，然后流量会重新广播和地址学习，建立新的传输路径，完成保护恢复切换过程。反转恢复切换的流程如图6所示。
图6 反转恢复切换的流程图
在非反转模式中，当双归保护域进行恢复切换时，保持当前的流量路径而不进行切换，流量传输路径没有变化，在这个过程中不会流量中断。
反转模式通常应用于主链路优于备链路的网络，在故障恢复或者保护倒换命令清除事件后，返回到原先的流量传输路径，以利于较好利用优选的主链路;非反转模式通常应用于对流量丢失比较敏感的网络，避免在双归保护域返回过程中的流量中断。
2.4 几种保护方式的对比
以N个节点的以太网双归保护域为例，将传统的集中式以太网双归保护和分布式电信级多点双归保护技术进行对比(见表1)后的结果显示，分布式电信级以太网双归保护技术在链路利用率，保护简单度，组网能力，支持接口，OAM(Operation，Administration，Maintenance，操作，管理，维护)支持度，兼容技术和成本等方面有显著的优势。
表1 以太网双归保护技术对比
3 结束语
基于分布式的电信级以太网双归保护技术可以提高链路的利用率、简化保护组，提高节点故障时业务的可靠性，以一种经济高效的方式扩展了双归保护的应用领域，能够灵活应用于电信级的各种规模和拓扑的网络，并且取得了良好效果，有广泛的应用前景。
随着电信级以太网的发展，特别是在3G/NGN/IPTV等广泛的应用，电信级以太网技术产生了多种新的技术，例如MPLS-TP和PBB-TE等，并对传统的组网模型提出了新的需求，电信级以太网双归保护技术也应运于这些新的领域，如何将电信级以太网双归保护域进一步扩展为各种灵活拓扑的网络，支持环形，MESH全连接形，DNI双节点互联形等拓扑，将流量工程技术和双归保护融合，使得网络具有流量工程能力，如何将电信级以太网双归保护域应用于不同技术或者不同网络区域之间的互联，在电信级以太网如MPLS-TP和PBB-TE的NNI，UNI接口之间进行保护还有待于进一步的研究。
