白皮書下載1 概述
隨着工業以太網技術和標準的快速發展，以太網逐步替換傳統現場總線技術成為工業網絡主流傳輸技術，並提供靈活、高速和標準化的傳輸服務。鑒於工業應用場景對可靠性的苛刻要求，提高以太網傳輸的可靠性和保護能力是工業以太網技術發展和普及的核心環節。本白皮書提出了一種可顯著提高以太網可靠性和健壯性的鏈路層環網技術，也就是FRRP（Fast Ring Recovery Protocol）快速環網恢復協議。FRRP技術可以防止以太網環路上的廣播風暴，並實現鏈路故障時的快速收敛，確保網絡的持續可用性。
2 FRRP協議介紹
FRRP協議是一種專門應用於以太網環的鏈路層協議，當以太環網上鏈路或設備發生故障時，能迅速切換到備份鏈路，保證業務的快速恢復。FRRP協議支持環網內的VLAN劃分，並利用專用的控製通道(VLAN)傳遞環網控製信息，實現控製信息和業務數據的隔離；支持單環、雙環、多環等多種拓撲的混合組網方式；支持單環多域技術實現環網鏈路負載分擔；支持鏈路聚合的方式彈性擴展環網帶寬；支持實時環網健康狀態檢測，能夠快速發現網絡故障，實現快速故障鏈路倒換，整個FRRP網絡的收敛時間不超過20ms，並且具有收敛時間與環網上節點數無關的顯著優勢。
2.1 FRRP基本概念
■ FRRP域
FRRP域是一組協議VLAN和業務VLAN配置相同的設備組成的群體。同一臺設備，可以配置不同的FRRP域，但多個域之間的不允許配置相同的VLAN。在同一網絡環境中，域與域之間通過域ID加以區分，不同的FRRP域轉發不同VLAN的流量，用以實現不同的VLAN的數據流量在以太環網鏈路上有不同的轉發路徑，進而可以達到負載分擔的目的。一個組網中，最大支持配置16個FRRP域。
■ FRRP環
FRRP域中的設備，通過鏈路銜接組成環形拓撲結構，構成一個FRRP環。一個FRRP邏輯環上的節點，必須同屬於一個域。每個FRRP域，最多支持配置16個FRRP邏輯環，環間通過環ID加以區分。一個FRRP域中可以包含多個FRRP環，但是這些FRRP環中只能有一個主環，主環由用戶自行配置決定。在選定主環後，剩下的FRRP環就稱其為子環。
FRRP協議支持單環、相切環和相交環等組網模式，支持多種拓撲。在相交環組網中，為防止因多環網導致的環路可能，相交的兩個環需保證其中一個環為主環。子環的協議報文通過主環傳播，主環的協議報文只在主環內部傳播，兩者協議VLAN不同，互不幹擾。
圖1 FRRP組網示意圖
如圖1所示，FRRP域Domain 1中包含了兩個相交的以太網環Ring 1和Ring 2，把Ring 1配置為該域的主環，Ring 2配置為該域的子環，這樣Ring 1和Ring 2就會分別計算出一個無環路的拓撲，從而消除了組網中的環路，並保證了各節點的全連通性。
FRRP協議把主環看作是子環的一個傳輸節點，子環的協議報文通過主環傳播，主環將子環的協議報文（除了COMMON-HEALTH報文）視為數據報文。因此，當主環上的端口被阻塞時，數據報文和子環協議報文（除了COMMON-HEALTH報文）都不能通過。
■ FRRP協議VLAN
協議VLAN是用來傳遞FRRP協議報文的VLAN。為了支持相交環組網，每個FRRP域配有主協議VLAN和子協議VLAN兩種協議VLAN，分別用於傳輸主環和子環的協議報文。主環協議報文和子環COMMON-HEALTH報文在主協議VLAN中傳播，其它的子環協議報文在子協議VLAN中傳播。
■ FRRP業務VLAN
業務VLAN用來傳遞數據報文。業務VLAN的轉發狀態由其所對應的FRRP域控製，它可以包含FRRP端口，也可以包含非FRRP端口。FRRP環上的設備會有兩個或兩個以上的接口接入這個環，這些接口被統稱為FRRP端口。在同一環網上不同的FRRP域配置不同的業務VLAN，各FRRP域分別獨立計算自己環上端口的轉發狀態。
■ FRRP端口角色
FRRP端口又分為三種端口，主端口、從端口以及邊緣端口。主環上對於傳輸節點來說主端口和從端口並無區別，而針對主節點，協議報文從主端口發送，到從端口接收，並阻塞從端口。
1） 主端口和從端口
控製節點和轉發節點各自有兩個端口接入FRRP環中，一個為主端口，另一個為從端口，端口的角色由用戶的配置決定。
控製節點的主端口和從端口在功能上是有區別的。控製節點從其主端口發送HEALTH報文，如果能夠從從端口收到該報文，說明本節點所在FRRP環網完整，阻塞從端口以防止數據環路；如果在規定時間內收不到該報文，說明環網故障，放開從端口以保證環上所有節點的正常通信。
轉發節點的主端口和從端口在功能上沒有區別，端口的角色同樣由用戶的配置決定。
2）公共端口和邊緣端口
主公共結點（輔公共結點）接入子環的端口為邊緣端口，接入主環的兩個端口為公共端口，主公共結點上公共端口與輔公共結點上公共端口之間的鏈路被稱為公共鏈路，公共端口和邊緣端口的角色由用戶的配置決定。由於FRRP協議將整個主環看作是子環上的一個傳輸節點，從而公共鏈路被看成是主環的內部鏈路，鏈路的狀態變化只通知主環控製節點進行處理。
■ FRRP節點角色
1) 控製節點
FRRP環上每臺設備都稱為一個FRRP節點，每個FRRP環上必須有且僅有一個控製節點，如圖1中的SW1是主環的控製節點，SW4是子環的控製節點。控製節點會主動發送探測報文來檢查鏈路狀態。控製節點有如下兩種狀態：
SUCCESSFUL State（完整狀態）
當環網上所有的鏈路都處於UP狀態，控製節點可以從從端口收到自己發送的HELLO報文，說明鏈路處於無故障狀態，此時控製節點會阻塞從端口以防止數據報文在環形拓撲上形成廣播環路。
FAULT State（故障狀態）
當環網上有鏈路處於故障狀態時，控製節點處於FAULT狀態，此時控製節點的從端口放開對數據報文的阻塞，以保證環網上的通信不中斷。
2) 轉發節點
FRRP環上除控製節點外的所有其它節點是轉發節點。轉發節點負責傳播協議報文，並監測自己的鄰近鏈路的狀態。若探測到鏈路故障，則主動向環網發送協議報文，把鏈路DOWN事件通知控製節點。轉發節點有如下兩種狀態：
Link-Up State（UP 狀態）
轉發節點的主端口和從端口均處於UP狀態時，就說轉發節點處於Link-Up狀態。
Link-Down State（Down 狀態）
轉發節點的主端口或從端口處於Down狀態時，就說轉發節點處於Link-Down狀態。
PRE-RECOVER State（臨時阻塞狀態）
轉發節點的主端口或副端口處於阻塞狀態時，就說傳輸節點處於Pre-forwarding狀態。
3) 主公共結點 和 輔公共結點
子環和主環相交時有兩個交點，這兩個交點處的設備其中一個叫做主公共結點，另外一個叫做輔公共結點。主公共結點與輔公共結點必須成對配置。主公共結點或輔公共結點是設備在子環上的角色，其在主環上的角色為控製節點或轉發節點。主公共結點和輔公共結點都是特殊的轉發節點，具有三種狀態，具體如下：
Link-Up State（UP 狀態）
邊緣端口是指不直接與任何交換機連接，也不通過端口所連接的網絡間接與任何交換機相連的端口。
因此，邊緣端口處於UP狀態時，就說主公共結點（輔公共結點）處於Link-Up狀態。
Link-Down State（Down 狀態）
邊緣端口處於Down狀態時，就說主公共結點（輔公共結點）處於Link-Down狀態。
PRE-RECOVER State（臨時阻塞狀態）
邊緣端口處於阻塞狀態時，就說主公共結點（輔公共結點）處於PRE-RECOVER狀態。
FRRP主要報文類型如下：
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報文類型 |
說明 |
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HEALTH |
健康檢測報文，由控製節點發起，對網絡進行環路完整性檢測。 |
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LINK-OK |
鏈路UP報文，由發生直連鏈路狀態UP的轉發節點、主公共結點或者輔公共結點發起，通知控製節點環路上有鏈路恢復。 |
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LINK-FAULT |
鏈路DOWN報文，由發生直連鏈路狀態DOWN的轉發節點、主公共結點或者輔公共結點發起，通知控製節點環路上有鏈路DOWN，物理環路消失。 |
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LINK-DOWN-FLUSH-FDB |
刷新FDB報文，由控製節點發起，通知轉發節點、主公共結點或者輔公共結點更新各自MAC地址轉發表。 |
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SUCCESSFUL-FLUSH-FDB |
環網恢復刷新FDB報文，由控製節點發起，通知轉發節點、主公共結點或者輔公共結點更新各自MAC地址轉發表，同時通知轉發節點放開臨時阻塞端口。 |
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COMMON-HEALTH |
主環完整性檢查報文，由子環的主公共結點發起，同子環的輔公共結點接收，子環通過此報文檢查其所在域主環的環路完整性。 |
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MOTHER-FAULT |
主環故障通知報文，當子環的輔公共結點在規定時間內收不到主公共結點發送的COMMON-HEALTH報文時發起，向主公共結點報告其所在域主環發生故障。 |
表1 FRRP協議報文類型列表
2.2 FRRP協議特點
健康監測機製
環上的控製節點會周期性（由控製節點的health定時器設定）的從主端口發送HEALTH報文，依次經過各傳輸節點在環上傳播，檢測環網狀態。如果在規定時間內，控製節點在從端口接收到HEALTH報文，說明環上所有鏈路正常，環網狀態完整。為了防止形成廣播環路，控製節點阻塞其從端口，如下圖2所示。
圖2 環網完整狀態檢測機製示意圖
如果在規定時間內收不到HEALTH報文，認為環上鏈路發生故障。控製節點將狀態切換到Fault狀態，放開從端口，並從主、從端口發送LINK-DOWN-FLUSH-FDB報文通知環上所有轉發節點刷新MAC和ARP表項。
這種機製保證了環網在任何異常的情況下都能被檢查出來，保證了環網發生異常後的連通性和快速處理機製。
端口事件高速處理
環路上各節點監測環上端口狀態， 一旦發現端口狀態變更，環上節點以快速中斷的形式將事件上報，並且上報控製平面後，控製平面會以最高優先級處理，整個過程不超過1ms,這樣就保證的事件處理的及時性，加快了環網的收敛速度，具體的處理過程如下：
端口Down 事件：
當控製節點主端口Down 後，控製節點立即放開從端口，並從從端口發送LINK-DOWN-FLUSH-FDB報文，通知環上所有轉發節點刷新MAC和ARP表項。當轉發節點上的FRRP端口DOWN時，該節點將從其他狀態為UP的FRRP端口發送LINK-FAULT報文通知（LINK-FAULT上報過程如圖3所示）。控製節點收到LINK-FAULT報文後，放開從端口，將狀態切換到Fault狀態。由於網絡拓撲發生改變，為避免報文定向錯誤，控製節點還需要刷新MAC和ARP表項，並從主、從端口發送LINK-DOWN-FLUSH-FDB報文通知所有轉發節點刷新MAC和ARP表項。
圖3 轉發節點鏈路中斷上報示意圖
端口Up 事件：
轉發節點端口恢復的瞬間，將從其他狀態為UP的FRRP端口發送LINK-OK報文通知控製節點（如圖4所示）。控製節點收到後，將阻塞從端口，將狀態遷移回SUCCESSFUL狀態。由於FRRP環拓撲已經改變，控製節點要刷新MAC和ARP表項。
圖4 轉發節點鏈路恢復處理過程示意圖
協議報文快速傳遞
傳統的協議報文都要能過控製平面處理後轉發，為了提高收敛速度，FRRP協議報文使用控製平面主動復製接收，數據平面高速傳遞的方式來處理， 如果設備結點需要對某個類型的協議報文進行處理，就通過配置策略的方式來復製一份協議報文到控製平面，同時，協議報文通過數據平面的高速轉發機製傳遞到其它的相關環上結點處理。FRRP協議的LINK-DOWN-FLUSH-FDB報文和SUCCESSFUL-FLUSH-FDB報文均是采用這種機製處理，這樣保證了FRRP協議的高速收敛。
以上協議處理機製使FRRP環網具備了收敛時間不超過20ms、環網無最大節點數限製以及環網收敛速度和節點數無關的特點。
2.3 FRRP協議工作機製
在實際的組網過程中，往往需要通過添加子環，來備份主環鏈路；主環遇到鏈路故障時，子環可以在很短的時間內檢測到主環鏈路異常，通過將阻塞端口開放，使業務報文通過子環完成正常轉發，保護網絡環境暢通。FRRP協議的工作機製通過如下圖5的組網詳細說明：
子環周期檢測，保障環網暢通
在拓撲結構上，主環與子環相交，形成相交環組網，但在邏輯上，子環作為一個獨立的FRRP環存在，因此環的自我檢查機製與單環組網相同。
圖5所示的組網中，Ring1為主環，由SW1-SW2-SW3構成，兩個子環Ring 2和Ring 3借助主公共結點和輔公共結點相互連接，本身就形成了一個環路。每個子環的協議報文在主環中有2條通路，分別為SW2-SW3和SW2-SW1-SW3。在主環完整時，Ring2控製節點從端口處於阻塞狀態，只有SW2-SW3是通的。主環故障時，如果故障發生在SW2-SW1-SW3上，則SW2-SW3是通的；如果故障發生在SW2-SW3上，則SW2-SW1-SW3是通的，因此，在任意時刻，RING2的兩條通路中，最多只有一條是通的，這樣就避免了子環協議報文在主環中形成環路。如果RING2的兩條通路全部中斷時，RING2的控製節點收不到自己發出的HEALTH報文，於是Fault定時器超時，控製節點放開從端口，這樣RING2可以獲得最大的通信通路，且不會形成環路。
圖5 雙子環組網圖
子環輔助主環檢測，保障環網暢通
（1）檢測主環鏈路狀態：
子環的主公共結點通過和主環相連的兩個端口周期性向主環內發COMMON-HEALTH報文，依次經過環上各節點發往輔公共結點，如圖6所示。如果輔公共結點在規定時間內能夠收到COMMON-HEALTH報文，表明至少有1條子環在主環中的通路正常，子環報文可以正常通過。否則，輔公共結點如果收不到COMMON-HEALTH報文，說明2條子環在主環中的通路全部中斷，子環報文無法通過。
圖6 主公共結點向輔公共結點發送COMMON-HEALTH示意圖
（2）主環鏈路異常：
輔公共結點檢測到2條子環在主環中的通路全部中斷後，立即從邊緣端口通過子環鏈路向主公共結點發送MOTHER-FAULT報文。如圖7所示，如果此時子環上無故障，主公共結點能夠收到MOTHER-FAULT，立即阻塞自己的邊緣端口，如果子環上存在故障，主公共結點的邊緣端口不會被阻塞。MOTHER-FAULT報文是周期性發送的，如果主公共結點收到，其邊緣端口繼續阻塞；如果在規定時間內收不到報文，邊緣端口自行放開。
圖7 主環鏈路異常導致子環Failed示意圖
（3）子環故障，狀態變化：
由於兩條子環在主環中的通路全部中斷，因此子環協議報文無法在主環中傳輸，控製節點收不到自己發出的HEALTH報文，於是，放開從端口，遷移到Fault狀態。
（4）主環鏈路恢復：
主環故障恢復的同時，子環在主環中的通路得到恢復，輔公共結點不再報告MOTHER-FAULT報文。如果子環本身沒有故障，其控製節點重新收到自己發出的HEALTH報文，於是阻塞從端口，切換到Successful狀態，如圖8所示。子環恢復後，控製節點會從主端口發送SUCCESSFUL-FLUSH-FDB報文。主公共結點收到報文後，如果其邊緣端口處於阻塞狀態，立即放開邊緣端口，全網通信恢復。如圖9所示。
子環在主環中的通路恢復時，如果此時子環存在故障，則子環無法恢復。此種情況下子環控製節點不會發送SUCCESSFUL-FLUSH-FDB報文，如果主公共結點的邊緣端口處於阻塞狀態，該端口只能在Fault定時器超時後自行放開。
圖8 主環鏈路恢復示意圖
圖9 子環主公共結點放開邊緣端口示意圖
3 FRRP典型組網
3.1 單環多域，實現環網負載分擔
網絡拓撲中只有一個環，在一個環網中可能同時存在多個VLAN的數據流量，在環上配置多個FRRP域，各個域上的FRRP環配置相應的業務VLAN。不同的FRRP域發送不同VLAN的流量，實現不同VLAN的數據流量在這個FRRP環網中的拓撲不同。FRRP域的保護VLAN必然與環上FRRP端口VLAN相同，在轉發的過程中，報文會根據自身VLAN查找相應端口並與之匹配，進行轉發。因而，就會自動選擇與之匹配的FRRP域進行轉發操作。如圖10所示，由SW1-SW5組成的環網上配置了兩種環。若從SW2上來的流量，從SW4轉出。如果該流量吻合域1的業務VLAN，則走順時針方向；若吻合域2的業務VLAN，則走逆時針方向，因而實現鏈路負載分擔的效果。
圖10 單環多域環網示意圖
3.2 相切環組網，提供高可靠接入
網絡拓撲中，兩個環通過一個節點銜接，構成了相切環組網。相切的兩個環需屬於不同的FRRP域。這種組網的典型的應用就是高可靠接入，例如企業環網中的匯聚環和接入環相連。通過搭建相切環組網，可以實現環網之間鏈路備份的效果。當出現鏈路故障時，迅速切換鏈路，保證環網間的流量正常轉發。
圖11 相切環典型組網
3.3 相交環組網，提供重點鏈路備份
網絡拓撲中有兩個及兩個以上的環，但是各個環之間有兩個公共節點。相交的兩個環位於同一FRRP域中，其中的一個環需為主環，這種組網對典型的應用就是提供對重要鏈路備份。如圖12所示，若從SW2上來的流量，從SW4轉出，如果SW3-SW5之間一旦發生鏈路故障，子環在短時間內發現異常並放開從端口，保證流量正常轉發。
圖12 相切環典型組網
