城域網(wǎng)全業(yè)務(wù)端到端的熱備保護(hù)策略研究

張龍江，張 揚(yáng)，姜響應(yīng)（.中國聯(lián)通濟(jì)南分公司，山東濟(jì)南 5000；.中國聯(lián)通青島分公司，山東青島 6600）

0 引言

自寬帶城域網(wǎng)誕生以來，其核心、匯聚、接入的傳統(tǒng)三級(jí)架構(gòu)一直伴隨著互聯(lián)網(wǎng)的前進(jìn)步伐。城域網(wǎng)演進(jìn)至今，其三層路由功能已完成扁平化改造，并具備路由熱備功能，同時(shí)隨著三層路由功能的上移，其余大二層交換機(jī)、OLT、園區(qū)等設(shè)備僅保留了二層VLAN 透傳功能，這也契合了IPv6網(wǎng)絡(luò)改造工作，其改造規(guī)模大大縮減。但是，由于二層網(wǎng)絡(luò)本身缺乏有效的保護(hù)措施，匯聚大量城域網(wǎng)業(yè)務(wù)的大二層交換機(jī)在面對(duì)單點(diǎn)故障時(shí)缺乏有效的保護(hù)措施。

隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，客戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的要求也越來越高，持續(xù)性、無中斷的品質(zhì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)已成為提升用戶感知的必要條件。在匯聚層設(shè)備V字型上聯(lián)以及接入層單歸至大二層交換機(jī)的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，若大二層交換機(jī)或BAS 發(fā)生單點(diǎn)故障，會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)區(qū)域的全業(yè)務(wù)中斷，其二層網(wǎng)絡(luò)功能單一和全程保護(hù)缺失的問題在現(xiàn)網(wǎng)運(yùn)營中更加突出。在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)上，如何挖掘網(wǎng)絡(luò)潛力，實(shí)現(xiàn)二、三層網(wǎng)絡(luò)的全程業(yè)務(wù)熱備聯(lián)動(dòng)，保障客戶業(yè)務(wù)的不間斷服務(wù)，已成為目前城域網(wǎng)快速發(fā)展過程中亟需解決的關(guān)鍵問題。

1 城域網(wǎng)全業(yè)務(wù)端到端的熱備保護(hù)研究思路

1.1 城域網(wǎng)全業(yè)務(wù)種類分析

隨著運(yùn)營商多業(yè)務(wù)發(fā)展的不斷推進(jìn)，寬帶IP 城域網(wǎng)已成為承載中國聯(lián)通對(duì)外寬帶服務(wù)的多業(yè)務(wù)綜合承載網(wǎng)絡(luò)，它能夠?yàn)榭蛻籼峁┘彝拵?、企業(yè)VPN、IPTV 點(diǎn)播和直播、IMS 固網(wǎng)語音、互聯(lián)網(wǎng)IP 專線等多類具有客戶服務(wù)價(jià)值和市場競爭力的核心產(chǎn)品和業(yè)務(wù)。同時(shí)，OLT 在服率也已成為運(yùn)營商的重要考核指標(biāo)。城域網(wǎng)全業(yè)務(wù)分類如圖1所示。

1.2 端到端熱備保護(hù)研究思路分析

圖1 城域網(wǎng)全業(yè)務(wù)分類圖

為推動(dòng)提升寬帶IP 城域網(wǎng)的運(yùn)行安全和用戶NPS感知，需要根據(jù)城域網(wǎng)各類業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，制定相應(yīng)的全程端到端熱備保護(hù)措施。具體思路是采用接入層OLT/園區(qū)雙歸至匯聚交換機(jī)的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過PPPOE 負(fù)載分擔(dān)、組播優(yōu)選、DHCP 主備、二層破環(huán)等關(guān)鍵技術(shù)，將城域網(wǎng)的三層網(wǎng)絡(luò)和二層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效結(jié)合，通過上聯(lián)口字型架構(gòu)+局部倒三角架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)城域網(wǎng)全業(yè)務(wù)端到端的熱備保護(hù)（見圖2）。

圖2 城域網(wǎng)端到端熱備保護(hù)的目標(biāo)架構(gòu)圖

1.2.1 二層破環(huán)技術(shù)分析

OLT 雙歸屬上聯(lián)至不同匯聚交換機(jī)后，形成局部倒三角網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，主要包括匯聚交換機(jī)-1、匯聚交換機(jī)-2 和OLT 3 個(gè)設(shè)備、6 個(gè)互聯(lián)端口。為實(shí)現(xiàn)熱備目標(biāo)，OLT 接入范圍內(nèi)的各類業(yè)務(wù)VLAN 在倒三角的三邊透傳，并由口字型架構(gòu)上聯(lián)至BAS/SR，完成三層網(wǎng)關(guān)終結(jié)。為解決三角架構(gòu)中的二層VLAN 環(huán)路問題，在OLT 層面部署Smart Link 主備保護(hù)組策略，按照業(yè)務(wù)VLAN 在OLT 的不同上聯(lián)中繼進(jìn)行業(yè)務(wù)分擔(dān)（見圖3）。

Smart Link 亦稱為備份鏈路。一個(gè)Smart Link 由2個(gè)接口組成，其中一個(gè)接口作為另一個(gè)的備份。OLT雙上聯(lián)歸屬至不同的匯聚交換機(jī)，若其中一個(gè)上聯(lián)方向出現(xiàn)中繼或節(jié)點(diǎn)故障，OLT 可自動(dòng)將業(yè)務(wù)切換至備用上聯(lián)端口，降低單點(diǎn)故障對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響，有效提高業(yè)務(wù)可靠性。

圖3 Smart Link二層破環(huán)機(jī)制示意圖

1.2.2 PPPOE家寬業(yè)務(wù)和企業(yè)VPN撥號(hào)業(yè)務(wù)熱備

對(duì)于家庭寬帶和企業(yè)VPN 撥號(hào)業(yè)務(wù)，通過試點(diǎn)環(huán)境，采用PPPOE 奇偶MAC 延遲響應(yīng)的負(fù)載分擔(dān)策略，對(duì)IPv4 公網(wǎng)、IPv4 CGN、IPv6 等用戶進(jìn)行雙歸保護(hù)，實(shí)現(xiàn)BAS負(fù)載分擔(dān)和主備保護(hù)（見圖4）。

如圖4所示，定義OLT 的左上聯(lián)中繼為主用端口，右上聯(lián)中繼為備用端口。此區(qū)域中，家庭用戶VLAN和企業(yè)VPN 業(yè)務(wù)VLAN 中的奇數(shù)MAC 地址用戶PPPOE 撥號(hào)至BAS1，偶數(shù)MAC 地址用戶PPPOE 撥號(hào)至BAS2，各環(huán)節(jié)設(shè)備各司其職，分別對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，具體如表1所示。

1.2.3 IPTV直播業(yè)務(wù)熱備

圖4 PPPOE和企業(yè)VPN撥號(hào)熱備圖

表1 PPPOE和企業(yè)VPN撥號(hào)策略表

對(duì)于IPTV直播業(yè)務(wù)，通過雙匯聚和雙BAS的協(xié)調(diào)保護(hù)，采用PIM 組播路由協(xié)議對(duì)冗余組播流量進(jìn)行控制，自動(dòng)選舉主備DR。當(dāng)匯聚交換機(jī)或BAS 中的任何一個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，由備用設(shè)備完成直播業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)，整個(gè)主備切換時(shí)間較短（見圖5）。

圖5 IPTV直播熱備圖

IPTV直播類業(yè)務(wù)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)如表2所示。

1.2.4 IPTV點(diǎn)播業(yè)務(wù)熱備

對(duì)于IPTV 點(diǎn)播類業(yè)務(wù)，用戶機(jī)頂盒通過DHCP 從BAS1 或BAS2 獲取IP 地址，并采用業(yè)務(wù)負(fù)載分擔(dān)方式實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)保護(hù)。接入層OLT 將Smart Link 技術(shù)用于二層VLAN 防環(huán)，這樣當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，不論是匯聚層設(shè)備環(huán)節(jié)還是接入層環(huán)節(jié)，IPTV 點(diǎn)播業(yè)務(wù)均可以完成自動(dòng)切換（見圖6）。

表2 IPTV直播用戶業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)參數(shù)表

IPTV點(diǎn)播類業(yè)務(wù)的具體技術(shù)實(shí)現(xiàn)如表3所示。

圖6 IPTV點(diǎn)播熱備圖

表3 IPTV點(diǎn)播用戶業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)參數(shù)表

1.2.5 語音業(yè)務(wù)熱備

對(duì)于固網(wǎng)語音用戶，其ONU/AG 通過大二層接入通道連接至雙SR，通過VRRP 自動(dòng)保護(hù)和心跳檢測機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)語音業(yè)務(wù)的自動(dòng)熱備保護(hù)（見圖7）。

1.2.6 IP專線/企業(yè)VPN專線業(yè)務(wù)熱備

對(duì)于IP專線用戶和企業(yè)VPN 專線用戶，采用冷備和熱備2 種方式，其主要區(qū)別在于手動(dòng)切換和自動(dòng)切換，分別如圖8和圖9所示。

1.2.7 OLT在服率熱備

采用Loopback 地址標(biāo)識(shí)OLT 設(shè)備，在雙匯聚/雙BAS 組網(wǎng)架構(gòu)中，通過全程端到端故障檢測和自動(dòng)切換，避免單節(jié)點(diǎn)故障造成OLT 脫網(wǎng)。當(dāng)主通道故障時(shí)，備用通道可以繼續(xù)連通OLT 設(shè)備，有效提升OLT在服率（見圖10）。

現(xiàn)網(wǎng)中許多OLT 設(shè)備存在僅用互聯(lián)地址標(biāo)識(shí)設(shè)備的情況，因此需要進(jìn)行設(shè)備標(biāo)識(shí)的Loopback 地址化，包括設(shè)備配置、資源管理系統(tǒng)、97 系統(tǒng)、綜合網(wǎng)管系統(tǒng)、PON電子工單系統(tǒng)等。

2 試點(diǎn)部署和關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

部署全業(yè)務(wù)端到端的熱備保護(hù)策略需要對(duì)OLT上聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，為穩(wěn)步推進(jìn)并盡量避免安全風(fēng)險(xiǎn)，中國聯(lián)通某分公司選取了部分市縣作為試點(diǎn)，進(jìn)行熱備方案部署。經(jīng)過6 個(gè)月的試點(diǎn)運(yùn)行，客戶感知未受影響，并成功驗(yàn)證了OLT 故障場景的熱備切換，整個(gè)試點(diǎn)場景覆蓋約2 萬固網(wǎng)語音電話、3 萬家寬用戶和IPTV 用戶、數(shù)百個(gè)IP 政企專線客戶。在熱備策略部署的試點(diǎn)區(qū)域中，網(wǎng)絡(luò)健壯性有效增強(qiáng)，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了多業(yè)務(wù)靈活調(diào)整部署以及設(shè)備之間資源的負(fù)載均衡。

圖7 語音業(yè)務(wù)熱備圖

圖8 IP專線/企業(yè)VPN專線冷備圖

圖9 IP專線/企業(yè)VPN專線熱備圖

圖10 OLT在服率熱備圖

相比其他廠商私有協(xié)議的專用熱備方案，本文的熱備方案具有多項(xiàng)特征和優(yōu)勢：

a）整體熱備策略對(duì)BAS/SR/大二層交換機(jī)等設(shè)備型號(hào)無要求，無需同種類型設(shè)備進(jìn)行虛擬冗余組網(wǎng)，對(duì)后續(xù)網(wǎng)絡(luò)投資無限制條件。

b）采用奇偶MAC 延遲響應(yīng)策略，不同的BAS 會(huì)對(duì)客戶的PPPOE 報(bào)文和DHCP 報(bào)文分別處理，從而實(shí)現(xiàn)家庭寬帶、企業(yè)VPN 撥號(hào)以及IPTV 單播業(yè)務(wù)的負(fù)載分擔(dān)。

c）通過PIM組播優(yōu)選技術(shù)，確保IPTV組播報(bào)文在二層接入網(wǎng)絡(luò)中只有一份流量，避免出現(xiàn)馬賽克、視頻重影等問題。

d）通過Smart Link技術(shù)對(duì)OLT與大二層交換機(jī)之間的倒三角網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行二層破環(huán)，解決二層網(wǎng)絡(luò)環(huán)路問題。在完成BAS/SR、大二層、OLT 之間全程業(yè)務(wù)保護(hù)的同時(shí)，能夠根據(jù)業(yè)務(wù)VLAN進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)流量調(diào)優(yōu)。

e）通過跨設(shè)備動(dòng)態(tài)檢測和聯(lián)動(dòng)收斂技術(shù)，對(duì)OLT網(wǎng)絡(luò)管理方式進(jìn)行優(yōu)化，借助NQA/BFD/路由聯(lián)動(dòng)機(jī)制，確保OLT 全程熱備。當(dāng)BAS 與OLT 之間任何環(huán)節(jié)發(fā)生故障時(shí)，網(wǎng)管業(yè)務(wù)可自動(dòng)完成切換。

3 城域網(wǎng)全業(yè)務(wù)端到端保護(hù)效果分析

本章對(duì)不同業(yè)務(wù)類型和工作場景下的熱備保護(hù)效果進(jìn)行了具體分析，具體如表4所示。

表4 城域網(wǎng)全業(yè)務(wù)端到端保護(hù)效果匯總表

4 與行業(yè)內(nèi)同類技術(shù)的比較

目前，行業(yè)內(nèi)城域網(wǎng)更多是采用相同型號(hào)設(shè)備來完成匯聚層的冗余保護(hù)，對(duì)設(shè)備選型和部署有諸多限制。本方案提出的熱備策略無此限制，有著良好的推廣價(jià)值，其具體參數(shù)對(duì)照如表5所示。

表5 熱備保護(hù)技術(shù)參數(shù)對(duì)比表

5 結(jié)束語

隨著工業(yè)和智能互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，IP 城域網(wǎng)開始朝著更加成熟的全業(yè)務(wù)可靠性承載的方向發(fā)展。對(duì)于家庭寬帶上網(wǎng)、IPTV 電視、語音通信等三大公眾客戶業(yè)務(wù)和政企IP 專線業(yè)務(wù)，即使短暫的網(wǎng)絡(luò)中斷也可能會(huì)給用戶造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。本文通過研究城域網(wǎng)全業(yè)務(wù)端到端的熱備保護(hù)策略，提出了一套彌補(bǔ)現(xiàn)有城域網(wǎng)業(yè)務(wù)保護(hù)缺失問題的部署方案。本方案具有無縫耦合現(xiàn)有城域網(wǎng)環(huán)境、無差別部署的特點(diǎn)，能夠有效整合現(xiàn)網(wǎng)資源，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)投資，為智能城域網(wǎng)的未來賦能，為客戶提供良好的“不斷網(wǎng)”服務(wù)。