基于鏈路聚合的以太環(huán)保護倒換的設(shè)計與實現(xiàn)

張 潔，羅志成，李明春

（1.武漢郵電科學研究院，湖北武漢 430074；2.烽火通信科技股份有限公司，湖北武漢 430074）

隨著網(wǎng)絡技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡中部署的業(yè)務量不斷增多[1-2]。以太網(wǎng)鏈路聚合將多個物理接口綁定為一個邏輯接口，有效提高了設(shè)備之間鏈路的可靠性和數(shù)據(jù)傳輸能力[3-5]。以太網(wǎng)通常使用環(huán)形拓撲為網(wǎng)絡提供冗余保護，但存在廣播風暴等故障現(xiàn)象，生成樹協(xié)議(Spanning Tree Protocol，STP)將環(huán)形網(wǎng)絡修剪成一個無環(huán)的樹型網(wǎng)絡，但是網(wǎng)絡收斂時間在秒級，無法滿足高服務質(zhì)量要求的業(yè)務[6-7]。與STP協(xié)議相比，ERPS 通過阻塞特定的端口達到消除環(huán)路的目的[8-10]，收斂時間在50 ms 以內(nèi)，可滿足電信級可靠性。

文中設(shè)計和實現(xiàn)了基于以太網(wǎng)鏈路聚合開啟ERPS 協(xié)議，正常情況下，用戶流量完好；當鏈路聚合組中出現(xiàn)鏈路故障時，可以通過備份鏈路保證鏈路帶寬；當整個聚合組不工作時，ERPS 協(xié)議發(fā)生保護倒換，放開RPL 端口恢復通信，故障中斷時間控制在50 ms以內(nèi)。

1 協(xié)議原理與實現(xiàn)

1.1 以太網(wǎng)鏈路聚合

以太網(wǎng)鏈路聚合是將多個物理端口匯聚在一起，形成一個邏輯端口，以實現(xiàn)出入流量吞吐量在各成員端口的負載分擔。如高速公路上的單車道，擴建為雙向八車道，那么高速公路的通過能力將變得更強[11-12]。

兩臺設(shè)備之間通過多條物理鏈路連接，稱為鏈路聚合組(Trunk)，被捆綁在一起的每一個物理接口稱為該鏈路聚合組的成員接口，其中用來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的接口為活動接口，處于選中(Selected)狀態(tài)，而非活動接口不參與數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，處于非選中(Unselected)狀態(tài)。

以太網(wǎng)鏈路聚合根據(jù)是否啟用鏈路聚合控制協(xié)議(Link Aggregation Control Protocol，LACP)分為手工鏈路聚合和LACP 鏈路聚合。手工鏈路聚合只能在同廠商設(shè)備上使用，而LACP 鏈路聚合方式符合國際標準，因此可以實現(xiàn)不同廠商之間的互通。

1.2 ERPS

ERPS 是ITU_T 定義的二層破環(huán)協(xié)議，通過環(huán)自動保護倒換協(xié)議數(shù)據(jù)單元(Ring Auto Protection Switching Protocol Data Unit,R-APS PDU)與對端交互。由一個主節(jié)點和若干個普通節(jié)點組成的ERPS環(huán)是ERPS 協(xié)議的基本組成單位，其中主節(jié)點是ERPS 的主要決策和控制節(jié)點，每個環(huán)上有且僅有一個，除此之外的節(jié)點為普通節(jié)點(Common)。每個節(jié)點最多僅有兩個端口加入同一個ERPS 環(huán)，在ERPS協(xié)議中，需要指定主節(jié)點上其中一個端口角色為RPL，在正常狀態(tài)下RPL 端口狀態(tài)為阻塞(Blocking)，只處理協(xié)議報文，不轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報文，除此之外的端口角色為Common，端口狀態(tài)為轉(zhuǎn)發(fā)(Forwarding)，此狀態(tài)下端口既可轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，也可以接收和轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議報文。傳輸協(xié)議報文和數(shù)據(jù)報文的虛擬局域網(wǎng)(Virtual Local Area Network，VLAN)需要映射在保護實例中，同一個ERPS 環(huán)上的設(shè)備配置相同的控制VLAN，控制VLAN 用于傳輸ERPS 協(xié)議報文，數(shù)據(jù)VLAN 用于轉(zhuǎn)發(fā)用戶流量[13-14]。

設(shè)備A～C 組成一個ERPS 環(huán)，設(shè)備A 為主節(jié)點，PA1 的端口角色為RPL，其他設(shè)備為普通節(jié)點，端口角色為Common。正常狀態(tài)下，主節(jié)點A 將端口PA1的狀態(tài)置為Blocking，不參與用戶數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，在物理成環(huán)的情況下阻塞端口達到破環(huán)的目的，保護用戶數(shù)據(jù)；當環(huán)路發(fā)生故障，如設(shè)備B-C 間鏈路故障，則主節(jié)點A 打開阻塞端口PA1，端口狀態(tài)變?yōu)镕orwarding，可參與用戶數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)了對用戶數(shù)據(jù)的切換；故障恢復后，重新阻塞主節(jié)點A 的端口PA1，避免網(wǎng)絡成環(huán)。

2 方案設(shè)計

基于以太網(wǎng)鏈路聚合實現(xiàn)ERPS 協(xié)議在OLT 設(shè)備上的運行，需要在命令行增加鏈路聚合組的配置和查詢，保證ERPS 協(xié)議可以基于鏈路聚合組對普通端口進行操作。另外是兩個協(xié)議之間的互相通告，如鏈路聚合組中成員端口的添加(ADD)和刪除(DEL)、鏈路聚合組的連接(up)/斷開(down)事件，需要通知ERPS 協(xié)議模塊作處理，ERPS 協(xié)議運行后的結(jié)果也需要通知以太網(wǎng)鏈路聚合模塊，更新鏈路聚合組的狀態(tài)[15-16]。上述事件的處理和完成要求收斂速度足夠快，達到電信級可靠性。

2.1 命令行配置

配置命令為erps ring ＜ring-id＞primary-linkaggregation ＜trunkid＞role [common|rpl-port]和erps ring ＜ring-id＞secondry-link-aggregation ＜trunkid＞role [common|rpl-port]，查詢命令為show erps ring ＜ring-id＞trunk ＜trunkid＞。其中，ring-id 是環(huán)ID，根據(jù)環(huán)ID 區(qū)分不同的邏輯環(huán)，trunkid 代表鏈路聚合組號，端口角色有兩種：common 和rpl-port，由用戶自行設(shè)置，確保環(huán)中設(shè)備上有一個端口為rpl-port。

配置命令的實現(xiàn)流程圖如圖1 所示。設(shè)備開啟ERPS 協(xié)議時會進行模塊初始化，創(chuàng)建一個ERPS 協(xié)議的輪詢?nèi)蝿誩rp_task，這個任務中根據(jù)消息類型觸發(fā)狀態(tài)機的運轉(zhuǎn)?；谝蕴W(wǎng)鏈路聚合配置ERPS協(xié)議時，首先需要檢查命令行中輸入?yún)?shù)的合法性，當輸入?yún)?shù)合法且鏈路聚合組存在的情況下，將配置信息寫入數(shù)據(jù)庫，遍歷聚合組內(nèi)普通端口，設(shè)置端口狀態(tài)并刷新端口的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)表(Forwarding Data Base，F(xiàn)DB)。

圖1 命令行配置流程

查詢命令的實現(xiàn)與配置命令類似，當命令中有輸入?yún)?shù)時先判斷參數(shù)的合法性，參數(shù)合法時判斷聚合組是否存在，若存在則從數(shù)據(jù)庫中獲取聚合組的信息并顯示。

2.2 Trunk組成員變動

Trunk 組內(nèi)成員的變動，包括成員添加或者刪除，ERPS 協(xié)議模塊設(shè)置一個鉤子函數(shù)，當Trunk 組內(nèi)成員變動時，注冊的鉤子函數(shù)將通知ERPS 模塊進行處理，處理流程如圖2 所示。

圖2 Trunk組成員變動處理流程

在ERPS 輪詢?nèi)蝿罩校魟h除Trunk 組中成員，如Trunk 組中某一條鏈路故障或者人為刪除Trunk組中某一條鏈路，此時需要將端口信息（端口默認轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)、速率、雙工模式等）恢復為默認值。若Trunk組中添加成員，如鏈路帶寬不足需要增加帶寬，那么新加入的鏈路端口信息需要與鏈路聚合組保持一致，因此，需要先查詢新端口加入鏈路聚合組的信息，并根據(jù)該信息對新端口進行設(shè)置，設(shè)置后新端口將更新自己的端口狀態(tài)并刷新FDB 表。

2.3 Trunk組up/down

Trunk 組up/down 的處理流程涉及到報文交互和定時器的設(shè)計，IDLE 表示正常狀態(tài)，Protection 表示保護狀態(tài)，設(shè)備A 是主節(jié)點RPL Owner。

Trunk 組故障時的操作如圖3 所示，步驟如下。

圖3 鏈路故障時的操作

A：正常狀態(tài)；

B：節(jié)點B 和節(jié)點C 之間鏈路故障；

C：節(jié)點B 和C 檢測到本地信號故障，打開Holdoff Timer 定時器，阻塞故障端口并執(zhí)行刷新FDB 操作；

D：當SF (Signal Failed)條件存在的情況下，節(jié)點B 和C 周期性地發(fā)送SF R-APS 報文，為了快速進行保護倒換，前3 個報文的發(fā)送間隔為3.3 ms；

E：所有節(jié)點接收到SF R-APS 報文后刷新FDB表，主節(jié)點接收到SF R-APS 報文后，放開RPL 端口并刷新FDB；

F、G：環(huán)上SF 信號穩(wěn)定存在時，不會觸發(fā)進一步操作。

Trunk 組鏈路恢復時的操作如圖4 所示，步驟如下。

圖4 故障恢復

A：穩(wěn)定的SF 條件；

B：鏈路故障恢復；

C：節(jié)點B 和C 檢測到本地SF 條件清除，啟動Guard Timer 定時器，并周期性向外發(fā)送NR(No Request)R-APS 報文；

D：當主節(jié)點接收到NR 報文后，啟動WTR(Wait to Restore)timer 定時器；

E：當節(jié)點B 和C 上Guard Timer 超時后，就可接收新的R-APS 報文；

F：主節(jié)點上的WTR timer 超時后，阻塞RPL 端口，并發(fā)送NR、RB(No Request,RPL Blocked) R-APS報文，刷新FDB。

G：當節(jié)點B 和C 收到NR、RB R-APS 報文后，將放開阻塞的端口并停止發(fā)送NR 報文。

3 場景設(shè)計與實現(xiàn)

根據(jù)上述原理與方案設(shè)計，在OLT 上開發(fā)實現(xiàn)了基于以太網(wǎng)鏈路聚合的環(huán)網(wǎng)保護倒換。使用3 臺OLT 和一臺流量測試儀(TestCenter)搭建圖5 所示的網(wǎng)絡拓撲圖進行測試。

圖5 測試拓撲圖

設(shè)備A 為主節(jié)點，設(shè)備A 的Trunk 組2 的角色為RPL，其他設(shè)備為普通節(jié)點，Trunk 組的角色為Common。正常收斂狀態(tài)下，由測試儀口1 向口2 模擬發(fā)送用戶數(shù)據(jù)，測試儀口2 可以正常接收，說明環(huán)路中設(shè)備運行正常，各端口狀態(tài)正確。依次斷開AC、BC、AB 間鏈路聚合組中成員端口，然后重新連接，依次將AC、BC、AB 間鏈路聚合組斷開連接后再重新連接，觀察環(huán)路中的鏈路切換，記錄流量測試儀的丟包數(shù)。測量多組數(shù)據(jù)后取平均值，如表1 所示，流量測試儀的發(fā)包速率為1 000 Frames/s。

表1 測試結(jié)果

正常狀態(tài)下，數(shù)據(jù)流向為：儀表口1-A-B-C-儀表口2，從表1 可以看出，AC 之間鏈路的改變不會造成丟包，BC 和AB 之間鏈路的改變、保護倒換時間均在50 ms 以內(nèi)，因此可知，方案設(shè)計合理，該機制切實可行。

4 結(jié)束語

文中提出了將以太網(wǎng)鏈路聚合與ERPS 協(xié)議相結(jié)合，在普通端口的基礎(chǔ)上增加對聚合組的操作，不僅拓寬了網(wǎng)絡帶寬，增加了數(shù)據(jù)的傳輸能力，而且實現(xiàn)了環(huán)網(wǎng)的保護倒換，提高了網(wǎng)絡的可靠性。