環(huán)網(wǎng)快速保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用

王輝

（中國電子科技集團(tuán)公司 第三十四研究所，廣西 桂林 541004）

環(huán)網(wǎng)快速保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用

王輝

（中國電子科技集團(tuán)公司 第三十四研究所，廣西 桂林 541004）

首先介紹了幾種常用的環(huán)網(wǎng)保護(hù)技術(shù)，接著從某網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用出發(fā)，提出了三種快速環(huán)網(wǎng)保護(hù)的解決方案，并對(duì)這三種方案進(jìn)行了對(duì)比分析和測試，最終得出了第三種方案最優(yōu)的結(jié)論。

RSTP；SD H；BFD

0 引言

目前的網(wǎng)絡(luò)幾乎都采用冗余方式，網(wǎng)絡(luò)中往往存在環(huán)路。因此，環(huán)網(wǎng)保護(hù)協(xié)議應(yīng)運(yùn)而生。生成樹協(xié)議（STP）[1，2]、開放式最短路徑優(yōu)先（OSPF）等都可以實(shí)現(xiàn)交換網(wǎng)絡(luò)的環(huán)網(wǎng)保護(hù)，避免網(wǎng)絡(luò)環(huán)路。雙向轉(zhuǎn)發(fā)檢測（BFD）協(xié)議采用雙向轉(zhuǎn)發(fā)檢測機(jī)制，可以提供毫米級(jí)的檢測，能夠?qū)崿F(xiàn)鏈路的快速檢測。SDH環(huán)網(wǎng)保護(hù)技術(shù)具有50ms的切換性能[3，4]，它主要通過硬件芯片檢測線路信號(hào)質(zhì)量來決定是否進(jìn)行切換，故障檢測快，切換速度也快。本文針對(duì)某網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提出了快速生成樹協(xié)議（RSTP）和SDH環(huán)網(wǎng)保護(hù)技術(shù)相結(jié)合的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)鏈路的快速檢測和鏈路的快速保護(hù)。

1 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

1.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

某網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的網(wǎng)管網(wǎng)絡(luò)如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)4個(gè)節(jié)點(diǎn)A、B、C、D相距較遠(yuǎn)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接PC網(wǎng)管終端（例如PC1、PC2）。網(wǎng)管以太網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)被承載在SDH業(yè)務(wù)上被傳輸?shù)竭h(yuǎn)端。4個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備兩兩相連，物理鏈路上形成一個(gè)環(huán)路。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的交換模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換功能，SDH模塊為4臺(tái)設(shè)備的交換模塊提供互聯(lián)通道（遠(yuǎn)程傳輸），使得4個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的交換模塊之間能夠互相通信。

1.2 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用要求

（1）某網(wǎng)絡(luò)組成的網(wǎng)絡(luò)為二層交換網(wǎng)絡(luò)，接入網(wǎng)絡(luò)的所有終端設(shè)備均處于同一網(wǎng)段中。PC網(wǎng)管終端可以從任何一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理。接入網(wǎng)絡(luò)的PC之間可以互通（例如：PC1和PC2能互相通信）。

（2）要求網(wǎng)絡(luò)具有快速環(huán)網(wǎng)保護(hù)功能，在發(fā)生光線路故障時(shí)，以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的故障恢復(fù)時(shí)間不大于800ms。

2 網(wǎng)絡(luò)方案理論分析

根據(jù)某網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，本文提出了三種解決方案：

（1）采用傳統(tǒng)RSTP，實(shí)現(xiàn)二層網(wǎng)絡(luò)的環(huán)網(wǎng)保護(hù)，避免環(huán)路產(chǎn)生；

（2）采用RSTP+BFD，實(shí)現(xiàn)快速鏈路檢測，從而實(shí)現(xiàn)快速的鏈路切換；

圖1 某網(wǎng)絡(luò)設(shè)備網(wǎng)管網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

（3）采用RSTP+SDH的環(huán)網(wǎng)保護(hù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)的快速恢復(fù)。

2.1 方案1理論分析

方案1采用傳統(tǒng)RSTP協(xié)議。以太網(wǎng)二層交換網(wǎng)絡(luò)避免環(huán)路的傳統(tǒng)方法是使用STP由于生成樹協(xié)議收斂時(shí)間長（一般為30～50s），于是出現(xiàn)了RSTP。RSTP能夠很好地避免環(huán)路，防止廣播風(fēng)暴[1]。同時(shí)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)線路故障時(shí)，可以較快地實(shí)現(xiàn)鏈路的切換，快速恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)中的以太網(wǎng)業(yè)務(wù)。

方案1網(wǎng)絡(luò)需要運(yùn)行RSTP，4個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備各自發(fā)送和接收網(wǎng)橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元（BPDU）報(bào)文，并根據(jù)BPDU報(bào)文中的bridge ID選舉出根網(wǎng)橋。根的所有端口都是指派端口（D表示）。其它非根（網(wǎng)橋）設(shè)備到根（網(wǎng)橋）設(shè)備的最優(yōu)路徑端口是根端口（R表示），應(yīng)處于轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)；其它端口如果沒有路徑可以到達(dá)根，則為指派端口，應(yīng)處于轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)；如果也有路徑可以到達(dá)根，則需要與對(duì)端設(shè)備的端口進(jìn)行優(yōu)先級(jí)比較，確定是指派端口還是替換端口（A表示）。如果本設(shè)備端口優(yōu)先級(jí)高，則對(duì)端設(shè)備端口是替換端口，本設(shè)備端口是指派端口；否則，對(duì)端設(shè)備端口是指派端口，本設(shè)備端口是替換端口，替換端口處于阻塞狀態(tài)。當(dāng)線路故障導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷時(shí)，如圖2所示，RSTP選擇備用路徑②，將替換端口快速從阻塞狀態(tài)變?yōu)檗D(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的快速切換[2]。RSTP協(xié)議采用心跳機(jī)制檢測鏈路故障[2]。當(dāng)一臺(tái)網(wǎng)橋連續(xù)3次沒有收到上級(jí)網(wǎng)橋發(fā)送的BPDU的情況下，判定為鏈路故障。RSTP默認(rèn)的hello time為2s，因此檢測故障的時(shí)間需要6s。一般的交換機(jī)的CPU的BPDU包不能發(fā)送頻率過高，因此，故障檢測的時(shí)間無法大幅提高，一般都在秒級(jí)。因此，當(dāng)故障發(fā)生后，至少也要1s后才能完成網(wǎng)絡(luò)中以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的恢復(fù)，切換時(shí)間無法滿足要求。

圖2 方案1網(wǎng)絡(luò)設(shè)備運(yùn)行RSTP協(xié)議

2.2 方案2理論分析

方案2采用RSTP和BFD技術(shù)相結(jié)合的方式。RSTP的冗余保護(hù)功能和BFD的快速鏈路故障檢測功能很好地結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的快速保護(hù)。此種方案需要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的主控模塊CPU運(yùn)行RSTP協(xié)議。同時(shí)，主控模塊采用專用的現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一種簡化的BFD協(xié)議。這種簡化的BFD協(xié)議可以在1ms內(nèi)檢測出光鏈路是否出現(xiàn)故障。BFD模塊一旦檢測到線路故障，則向主控模塊CPU產(chǎn)生中斷，由CPU將這個(gè)故障狀態(tài)迅速更新到RSTP，從而縮短了RSTP協(xié)議的收斂時(shí)間。如圖3所示，正常情況下，業(yè)務(wù)通信采用路徑①。當(dāng)線路①故障時(shí)，BFD能夠在1ms檢測到線路故障，并報(bào)告給主控模塊的CPU，使得RSTP迅速收斂，從路徑①切換到路徑②。

這種簡化的BFD協(xié)議具體原理如下：BFD協(xié)議利用SDH幀的開銷字節(jié)傳輸BFD的協(xié)議幀。BFD采用異步模式，設(shè)備各自周期性地發(fā)送協(xié)議報(bào)文，如果設(shè)備連續(xù)8個(gè)周期沒有收到對(duì)端的協(xié)議報(bào)文，則認(rèn)為和對(duì)端相連的線路故障。SDH數(shù)字同步體系規(guī)定SDH幀的發(fā)包頻率為8000幀/s。BFD模塊將協(xié)議報(bào)文插入到SDH數(shù)據(jù)幀的開銷字節(jié)中，隨SDH幀一起發(fā)送出去。SDH幀到達(dá)對(duì)端后BFD模塊將SDH幀中開銷字節(jié)中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)文提取出來，從而實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)設(shè)備之間數(shù)據(jù)報(bào)文的交互。因此，數(shù)據(jù)BFD協(xié)議包的發(fā)送周期和SDH幀的頻率一致（即8000幀/s）。這種簡化的BFD協(xié)議規(guī)定連續(xù)8包沒有收到對(duì)端的協(xié)議報(bào)文，則認(rèn)為鏈路故障。BFD模塊的功能框圖如圖4所示。

圖3 方案2網(wǎng)絡(luò)設(shè)備運(yùn)行RSTP和BFD協(xié)議

圖4 BFD功能模塊框圖

2.3 方案3理論分析

方案3采用了RSTP和SDH的環(huán)網(wǎng)保護(hù)協(xié)議相結(jié)合的方法。SDH網(wǎng)絡(luò)環(huán)網(wǎng)保護(hù)協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)光線路故障時(shí)的快速保護(hù)切換[3，4]。對(duì)于本文網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用來說，SDH的線路保護(hù)對(duì)于交換模塊不可見 （由于SDH線路保護(hù)的速度很快，交換模塊甚至都不知道網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)過故障）。因此，交換網(wǎng)絡(luò)無需進(jìn)行任何改變，一旦SDH網(wǎng)絡(luò)新的通道建立，則業(yè)務(wù)可以即時(shí)恢復(fù)。

保護(hù)過程分析：如圖5所示，正常情況下，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)（PC1-PC2之間的業(yè)務(wù)）主路徑為：PC1?網(wǎng)絡(luò)設(shè)備A交換端口1?光線路①?網(wǎng)絡(luò)設(shè)備C交換端口1?PC2。當(dāng)線路①出故障時(shí)，SDH網(wǎng)絡(luò)采用硬件檢測的方式，通過讀取芯片中的AIS和LOS等告警信息可以迅速判定線路發(fā)生故障，并告知全網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。SDH環(huán)網(wǎng)保護(hù)協(xié)議根據(jù)故障狀態(tài)，選擇備用路徑：光線路②?光線路③?光線路④，重新將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備A的交換端口1和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備C的交換端口1互聯(lián)起來。此時(shí)的路徑為：PC1?網(wǎng)絡(luò)設(shè)備A交換端口1?光線路②?光線路③?光線路④?網(wǎng)絡(luò)設(shè)備C交換端口1?PC2。這個(gè)過程中對(duì)于交換網(wǎng)絡(luò)而言，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備A的交換端口1與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備C的交換端口1之間的連接狀態(tài)始終處于正常狀態(tài)，且SDH線路切換的時(shí)間在50ms內(nèi)，RSTP協(xié)議檢測不到這個(gè)故障。SDH線路保護(hù)后，交換網(wǎng)絡(luò)無需進(jìn)行端口狀態(tài)改變和端口mac地址學(xué)習(xí)等過程，交換網(wǎng)絡(luò)的所有狀態(tài)與發(fā)生故障前一致，SDH網(wǎng)絡(luò)完成線路切換后，PC1?PC2的業(yè)務(wù)能夠立即恢復(fù)。因此，業(yè)務(wù)的切換時(shí)間就是SDH線路切換的時(shí)間。

SDH的環(huán)網(wǎng)保護(hù)策略[3，4]如圖5所示。當(dāng)線路①故障時(shí)備份路徑為②③④；同理當(dāng)線路②故障時(shí)備份路徑為①④③；當(dāng)線路③故障時(shí)備份路徑為②①④；當(dāng)線路④故障時(shí)備份路徑為①②③。單點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，SDH網(wǎng)絡(luò)直接進(jìn)行線路保護(hù)，交換網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)保持不變。因此，SDH完成線路切換后，交換網(wǎng)絡(luò)能夠立即恢復(fù)通信。

3 對(duì)比測試和分析

3.1 測試原理

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組網(wǎng)如圖6所示，PC1和PC2分別接入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備A和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備C。PC1上運(yùn)行發(fā)包軟件，PC2上運(yùn)行收包軟件。發(fā)包軟件的發(fā)包頻率為1包/ms，包長100字節(jié)。正常情況下，PC1發(fā)送的測試包和PC2收到的測試包數(shù)量應(yīng)該一致。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，PC1和PC2的通信會(huì)中斷，PC1發(fā)出的測試包在網(wǎng)絡(luò)中斷期間不能被PC2收到，PC2會(huì)出現(xiàn)丟包情況。由于發(fā)包軟件的發(fā)包頻率為1包/ms，因此，丟包數(shù)就等于通信中斷的時(shí)間（單位ms）。

3.2 測試步驟

（1）在方案1中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)正常時(shí)，測試PC1和PC2的通信情況。PC1和PC2分別運(yùn)行收發(fā)包軟件，測試收發(fā)包數(shù)量一致（收發(fā)各10000包）。

（2）查詢當(dāng)前PC1和PC2的交換路徑為PC1?網(wǎng)絡(luò)設(shè)備A交換端口1?光線路①?網(wǎng)絡(luò)設(shè)備C交換端口1?PC2。

（3）PC1和PC2各自運(yùn)行收發(fā)包軟件 （收發(fā)包數(shù)量設(shè)置為10000包：軟件持續(xù)發(fā)包10s可發(fā)送10000包）。開始收發(fā)包后5s左右，拔掉線路①的光纖；等待10s收發(fā)包結(jié)束后，查看和記錄收包軟件的丟包情況。

（4）重復(fù)上面測試3次，并記錄。

我們采用同樣的步驟，測試和記錄方案2、方案3。

3.3 測試結(jié)果

三種方法實(shí)際的測試結(jié)果如表1所示。從表1測得的數(shù)據(jù)可以看出只采用RSTP時(shí)，網(wǎng)絡(luò)故障保護(hù)需要的時(shí)間較長，達(dá)到秒級(jí)，后兩種方法故障保護(hù)的時(shí)間比較短，都在毫秒級(jí)別。第二種方案，需要BFD首先檢測到故障，然后通知RSTP進(jìn)行收斂。這種方法需要BFD和RSTP進(jìn)行聯(lián)動(dòng)操作才能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)。第三種方案時(shí)間最短在20ms以內(nèi)，同時(shí)還具備雙重保護(hù)功能，能夠保護(hù)二度故障。正常一度故障情況下只需SDH進(jìn)行環(huán)網(wǎng)保護(hù)即可，RSTP無需進(jìn)行任何收斂操作；只有當(dāng)二度故障SDH保護(hù)不了時(shí)，RSTP才起作用對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行保護(hù)。因此，RSTP+SDH的環(huán)網(wǎng)保護(hù)技術(shù)，很好地滿足了網(wǎng)絡(luò)快速故障保護(hù)的應(yīng)用需求。

圖5 方案3網(wǎng)絡(luò)設(shè)備運(yùn)行RSTP和SDH環(huán)網(wǎng)保護(hù)協(xié)議

圖6 測試方法示意圖

表1 三種環(huán)網(wǎng)保護(hù)方案切換時(shí)間測試結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)束語

根據(jù)測試結(jié)果對(duì)比情況，可以得出RSTP+SDH這種方法故障保護(hù)的速度最快。這種方法還可以實(shí)現(xiàn)雙重保護(hù)，即SDH保護(hù)失效時(shí)，RSTP仍然可以檢測到故障，并及恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。因此，RSTP+SDH很好地滿足了用戶對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行快速保護(hù)的需求。

[1]楊文海.交換網(wǎng)絡(luò)中廣播風(fēng)暴的產(chǎn)生和生成樹協(xié)議(STP)對(duì)其有效阻止[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)和應(yīng)用，2014（11）：69-72.

[2]劉衛(wèi)斌.以太網(wǎng)環(huán)路保護(hù)協(xié)議STP研究[D].南京:南京理工大學(xué)，2008.

[3]張穎.SDH網(wǎng)絡(luò)保護(hù)分析與研究[D].保定：河北大學(xué)，2010.

[4]韓斌杰.SDH原理教程[M].武漢：電子工業(yè)出版社，2004.

Application of ring network rapid protection technology

WANG Hui
(No.34 Research Institute of CETC,Guilin Guangxi 541004,China)

The paper firstly introduces several kinds of commonly used ring network protection technologies, and then starting from a network application,puts forward three kinds of fast ring network protection solutions.It has analyzed and tested the three schemes,and finally makes a conclusion that the third approach is the best.

RSTP,SDH,BFD

TN929.11

A

1002-5561（2016）03-0016-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.03.005

2015-11-18。

王輝（1981-），男，主要從事光通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)的研究工作。