環(huán)網(wǎng)工業(yè)交換機(jī)ERPS技術(shù)解析
2021.04.30ERPS(Ethernet Ring Protection Switching，以太環(huán)網(wǎng)保護(hù)切換協(xié)議)是ITU開發(fā)的一種環(huán)網(wǎng)保護(hù)協(xié)議，也稱G.8032。它是一個(gè)專門應(yīng)用于以太環(huán)網(wǎng)的鏈路層協(xié)議。它在以太環(huán)網(wǎng)完整時(shí)能夠防止數(shù)據(jù)環(huán)路引起的廣播風(fēng)暴，而當(dāng)以太環(huán)網(wǎng)上一條鏈路斷開時(shí)能迅速恢復(fù)環(huán)網(wǎng)上各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信，下面友聯(lián)華就詳細(xì)介紹下環(huán)網(wǎng)工業(yè)交換機(jī)ERPS技術(shù)解析。
一、ERPS基本概念
（一）以太環(huán)
以太環(huán)分為普通以太環(huán)和以太子環(huán)：
普通以太環(huán)：是一個(gè)環(huán)形連接的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>
以太子環(huán)：以太子環(huán)為非閉環(huán)拓?fù)?，它通過相交節(jié)點(diǎn)掛接在其它環(huán)或網(wǎng)絡(luò)上，和相交節(jié)點(diǎn)間歸屬于其它環(huán)或網(wǎng)絡(luò)的通道一起形成閉環(huán)拓?fù)洹?/p>
每個(gè)以太環(huán)(不論是普通以太環(huán)還是以太子環(huán))都有以下兩種狀態(tài)：
Idle狀態(tài)：環(huán)網(wǎng)的每條物理鏈路都是連通的。
Protection狀態(tài)：環(huán)網(wǎng)中某條物理鏈路斷開。
（二）節(jié)點(diǎn)
以太環(huán)上的每臺(tái)設(shè)備都稱為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。對(duì)于某個(gè)特定的以太環(huán)而言，節(jié)點(diǎn)的角色分為下列幾種：
RPL(Ring Protection Link，環(huán)保護(hù)鏈路) owner節(jié)點(diǎn)：緊挨著RPL鏈路，在以太環(huán)處于Idle狀態(tài)時(shí)，負(fù)責(zé)阻塞RPL鏈路，防止網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)環(huán)路的節(jié)點(diǎn)。每個(gè)以太環(huán)(不論是普通以太環(huán)還是以太子環(huán))都有且僅有一個(gè)RPL owner節(jié)點(diǎn)(負(fù)載均衡模式下，一個(gè)物理以太環(huán)上跑多個(gè)ERP環(huán)，可以有多個(gè)RPL owner節(jié)點(diǎn))。Node1為以太環(huán)ERP1的RPL owner節(jié)點(diǎn);Node5為以太子環(huán)ERP2的RPL owner節(jié)點(diǎn)。
非RPL owner節(jié)點(diǎn)：以太環(huán)上除RPL owner節(jié)點(diǎn)外的其它節(jié)點(diǎn)。除Node1和Node5外的其它節(jié)點(diǎn)，被稱為各個(gè)環(huán)的非RPL owner節(jié)點(diǎn)。
對(duì)于全局(指不針對(duì)某個(gè)特定的以太環(huán))而言，節(jié)點(diǎn)的角色分為下列幾種：
相交節(jié)點(diǎn)：在相交以太環(huán)中，同時(shí)屬于多個(gè)環(huán)的節(jié)點(diǎn)被稱為相交節(jié)點(diǎn)。Node3與Node4被稱為相交節(jié)點(diǎn)。
非相交節(jié)點(diǎn)：在相交以太環(huán)中，只屬于某個(gè)以太環(huán)的節(jié)點(diǎn)被稱為非相交節(jié)點(diǎn)。除Node3和Node4外的其它節(jié)點(diǎn)，都被稱為非相交節(jié)點(diǎn)。
（三）鏈路與通道
RPL(Ring Protection Link，環(huán)保護(hù)鏈路)：每個(gè)以太環(huán)(不論是普通以太環(huán)還是以太子環(huán))都有且僅有一條RPL。當(dāng)以太環(huán)處于Idle狀態(tài)時(shí)，RPL鏈路處于阻塞狀態(tài)，不轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)文，以避免形成環(huán)路。Node1與Node4間的鏈路為以太環(huán)ERP1的RPL鏈路，Node1阻塞RPL端口(RPL鏈路所在的端口);Node4與Node5間的鏈路為以太環(huán)ERP2的RPL鏈路，Node5阻塞RPL端口。
子環(huán)鏈路：在相交環(huán)當(dāng)中，歸屬于子環(huán)，由子環(huán)控制的鏈路。假設(shè)ERP1是普通以太環(huán)，ERP2是以太子環(huán)，則Node4與Node5間的鏈路及Node3與Node5間的鏈路為子環(huán)ERP2的鏈路，其它鏈路歸屬于普通以太環(huán)ERP1(特別注意：Node3與Node4間的鏈路屬于普通以太環(huán)ERP1，不屬于以太子環(huán)ERP2，不受ERP2的控制)。
R-APS (Ring Auto Protection Switch)virtual channel：在相交環(huán)中，相交節(jié)點(diǎn)間，用于傳輸子環(huán)協(xié)議報(bào)文，但不屬于子環(huán)的通路被稱為子環(huán)的R-APS虛擬通道。由于Node1阻塞RPL鏈路，子環(huán)ERP2的協(xié)議報(bào)文在以太環(huán)ERP1中，通過Node3與Node4間的直連鏈路傳播，則Node3與Node4間的直連通路就被稱為子環(huán)ERP2的R-APS虛擬通道。
（四）VLAN
ERPS中有兩種類型的VLAN，一種是R-APS VLAN，另一種是數(shù)據(jù)VLAN。
R-APS VLAN：R-APS VLAN 用來傳遞ERPS協(xié)議報(bào)文。設(shè)備上接入ERP環(huán)的端口都屬于R-APS
VLAN，且只有接入ERP環(huán)的端口可加入此VLAN。不同環(huán)的R-APS VLAN必須不同。R-APS VLAN的接口上不允許配置IP 地址。
數(shù)據(jù)VLAN：與R-APS VLAN 相對(duì)，數(shù)據(jù)VLAN 用來傳輸數(shù)據(jù)報(bào)文。數(shù)據(jù)VLAN 中既可包含ERP環(huán)端口，也可包含非ERP環(huán)端口。
二、協(xié)議報(bào)文
ERPS協(xié)議報(bào)文(也稱R-APS報(bào)文)的類型及其作用如下表所示：
?。ㄒ唬〦RPS工作原理
正常狀態(tài)
1、 所有的節(jié)點(diǎn)在物理拓?fù)渖弦原h(huán)的方式連接。
2、 環(huán)路保護(hù)協(xié)議通過阻塞RPL鏈路，確保不會(huì)成環(huán)(Loop)。Node1和Node4間的鏈路為RPL鏈路。
3、 對(duì)相鄰節(jié)點(diǎn)間的每條鏈路進(jìn)行故障檢測(cè)。
4、 與故障鏈路相臨的節(jié)點(diǎn)對(duì)故障鏈路進(jìn)行阻塞，并使用R-APS(SF)消息向環(huán)上的其他節(jié)點(diǎn)報(bào)告故障。假設(shè)Node2，Node3間鏈路故障，則Node2和Node3等待holdoff計(jì)時(shí)器超時(shí)后，會(huì)阻塞故障鏈路，分別向環(huán)網(wǎng)上各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送R-APS(SF)消息。
5、 R-APS(SF)消息觸發(fā)RPL擁有節(jié)點(diǎn)打開RPL端口。R-APS(SF)消息還觸發(fā)所有的節(jié)點(diǎn)更新各自MAC 表項(xiàng)和ARP/ND表項(xiàng)，然后節(jié)點(diǎn)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)(Protection)。
鏈路故障
1、 與故障鏈路相臨的節(jié)點(diǎn)對(duì)故障鏈路進(jìn)行阻塞，并使用R-APS(SF)消息向環(huán)上的其他節(jié)點(diǎn)報(bào)告故障。假設(shè)Node2，Node3間鏈路故障，則Node2和Node3等待holdoff計(jì)時(shí)器超時(shí)后，會(huì)阻塞故障鏈路，分別向環(huán)網(wǎng)上各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送R-APS(SF)消息。
2、 R-APS(SF)消息觸發(fā)RPL擁有節(jié)點(diǎn)打開RPL端口。R-APS(SF)消息還觸發(fā)所有的節(jié)點(diǎn)更新各自MAC 表項(xiàng)和ARP/ND表項(xiàng)，然后節(jié)點(diǎn)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)(Protection)。
鏈路恢復(fù)
1、 當(dāng)故障恢復(fù)時(shí)，故障相鄰的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)保持阻塞狀態(tài)，并發(fā)送R-APS(NR)消息，表示沒有本地故障。
2、 guard計(jì)時(shí)器耗盡后，RPL Owner節(jié)點(diǎn)收到第一個(gè)R-APS(NR)消息后，開始啟動(dòng)WTR定時(shí)器。
3、 當(dāng)WTR定時(shí)器耗盡后，RPL Owner節(jié)點(diǎn)阻塞RPL，并發(fā)送R-APS(NR，RB)消息。
4、 其他節(jié)點(diǎn)收到這個(gè)消息后，更新各自MAC 表項(xiàng)和ARP/ND表項(xiàng)，發(fā)送R-APS(NR)消息的那個(gè)節(jié)點(diǎn)停止周期性發(fā)送消息，并打開原先阻塞的端口。環(huán)網(wǎng)又恢復(fù)到了最初的正常狀態(tài)。
三、友聯(lián)華ERPS技術(shù)特點(diǎn)
（一）ERPS負(fù)載均衡
通過在同一個(gè)物理環(huán)網(wǎng)上配置多個(gè)以太環(huán)，不同以太環(huán)發(fā)送不同VLAN(稱為保護(hù)VLAN)的流量，實(shí)現(xiàn)不同VLAN的數(shù)據(jù)流量在該環(huán)網(wǎng)中的拓?fù)洳煌?，從而達(dá)到負(fù)載分擔(dān)的目的。
一個(gè)物理環(huán)網(wǎng)對(duì)應(yīng)了兩個(gè)以太環(huán)，兩個(gè)以太環(huán)保護(hù)的VLAN不同，Node2為ERP1的RPL owner，Node3為ERP2的RPL owner。通過配置，可以實(shí)現(xiàn)不同VLAN分別阻塞不同的鏈路，從而實(shí)現(xiàn)單環(huán)的負(fù)載分擔(dān)。
（二）安全性好
ERP中有兩種類型的VLAN，一種是R-APS VLAN，另一種是數(shù)據(jù)VLAN。R-APS VLAN只用于傳輸ERPS的協(xié)議報(bào)文;而ERP也只處理來自R-APS VLAN的協(xié)議報(bào)文，不會(huì)處理任何來自數(shù)據(jù)VLAN的協(xié)議攻擊報(bào)文，提高ERP的安全性。
（三）支持多環(huán)相交相切
ERPS支持在同一節(jié)點(diǎn)(Node4)以相切或者相交形式加入多個(gè)環(huán)，大大增加了組網(wǎng)的靈活性。
友聯(lián)華環(huán)網(wǎng)工業(yè)交換機(jī)全部支持ERPS環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)，大大提升組網(wǎng)的靈活度，且故障收斂時(shí)間≤20ms，確保前端視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)母叻€(wěn)定性。并且支持使用單芯光纖組成ERPS環(huán)網(wǎng)，保證視頻數(shù)據(jù)上傳無瓶頸，同時(shí)為客戶大量節(jié)省光纖資源。
