基于EPONOLT的业务汇聚可靠性问题解决方案探讨

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1、基于EPONOLT的业务汇聚可靠性问题解决方案探讨 / - 1 - 中国科技论文在线基于 EPON OLT 的业务汇聚可靠性问题解决方案探讨 许华1，郭鹂2* 作者简介：许华，男，（1986-），湖北武汉人，硕士研究生，主要研究方向信息安全（1. 武汉理工大学信息工程学院，武汉 430070； 2. 武汉邮电科学研究院，武汉 430074） 摘要：为了顺应网络扁平化建设的需求，EPON 局端设备 OLT 从功能到组网位置都逐渐向汇聚交换机靠近。本文研究了 OLT 从传统的接入设备向业务汇聚型设备发展的技术参数，在此基础上基于三个层面探讨 OLT解决业务汇聚可靠性问题的方案：本地重要部件冗余备份

2、；基于 STP+VRRP 实现数据链路层的保护；基于三层路由技术实现 OLT 对上、下行业务的保护。实现 OLT 的可靠汇聚，能减少网络层次和节点数量，增加通信可靠性，节省建设和运维成本。 关键词：以太网无源光网络；光线路终端；可靠汇聚；VRRP；VLAN 聚合；OSPF 中图分类号：TN929.11 Solutions of Reliable Aggregation Based on EPON OLT Xu Hua1, Guo Li2 (1. Information Engineering Institute,Wuhan University of Technology, WuHan 430

3、070; 2. Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunications,WuHan 430074) Abstract: Network construction trends to be compressed, so OLT devices in EPON system are gradually brought close to aggregation switches from function to location. Against this background, this paper focuses on some tech

4、nology parameters that help OLT develop from traditional access devices to converged devices, and give out three kinds of solution of how to ensure its reliability: important parts of local redundancy, data link layer protection based on STP&VRRP, protection of up and down links based on routing

5、 technology. Reliable aggregation on OLT can not only reduce the number of network layers and nodes, ensure the quality of communication, but also cut down the cost of construction and operation for network operators. Keywords:EPON; OLT; reliable aggregation; VRRP; SUPER VLAN; OSPF 0 引言 随着 EPON 技术的发

6、展，“大容量、少局所，网络扁平化”的趋势意味着 OLT 覆盖的用户数量增加，OLT 设备被优先部署到端局传输机房。在这种背景下，OLT 的单板 PON 口数量、单板总线带宽、上行端口容量以及系统的交换能力逐渐向二级汇聚交换机靠近。目前业内已经出现了 600G 交换容量、单板 8 个 PON 口，10G 上联口的大容量 OLT 设备，反映的就是这样的趋势1。同时为了保证汇聚可靠性，OLT 设备首先从结构上对自身的重要部件进行了保护，如电源备份、主控盘主、备倒换、双上联保护以及业务盘盘内、盘间 PON 口之间的保护倒换；在组网应用中，对于重要客户或关键业务，OLT 从软件功能上分别提供了基于链路层

7、和网络层对上、下行业务的保护方案，以避免单点故障，实现可靠汇聚。 1 OLT 向汇聚型设备发展的技术要素 传统的 ADSL 组网由于受限于信号的传输衰减，端局的覆盖范围在 3km 以内，因此端局数量很多且分布较散，一般需要通过汇聚交换机汇聚以后再与 BRAS/SR 相连，如图 1 所 / - 2 - 中国科技论文在线示，这直接导致网络层次增加，结构复杂，对运营商的机房及配套设施建设和运营成本控制都带来了挑战。而 EPON 系统下行采用单纤波分复用技术（下行 1490nm，上行 1310nm），仅需局端设备 OLT 的一个 PON 口和一根主光纤，就能将有效传输距离延伸到 20km2，保证了 O

8、LT 从光接入网建网初期就可以提升到传统的接入汇聚节点处。图 1 中 OLT 向上与BRAS 直连，图 2 中展示 OLT 向下由 PON 口与远端设备 ONU 之间通过 ODN 相连，即用户家里到局端可以达到 20km 可靠接入，解决了传输距离对 OLT 部署到汇聚节点的限制。 图 1 OLT 与 ADSL 组网比较 Fig. 1 comparison between OLT and ADSL 图 2 EPON 组网 Fig. 2 networking with EPON 除了解决传输距离限制的问题，OLT 的设备容量也为汇聚功能准备了条件。可以计算OLT 的如下参数：16 个线卡插槽和多个

9、千兆（万兆）上联口，按照每块线卡 4 个 PON 口（单板 8PON 口已经实现）、每个 PON 口 1：64 的分光比来计算，满框 OLT 可覆盖 4096 端 ONU；在 FTTH 模式下，每端 ONU 提供 4 个 FE 口或者 GE、FE 口各一个；在 FTTB 模式下，每端 ONU 能提供 16 个甚至 24 个 FE 口。因此，从端口数来看，单台 OLT 汇聚上万户用户端口业务已经成为现实。目前，也有厂家宣称支持 1：128 分光比，如果这个宣称成为现实，OLT 能承载的用户端口将再翻一番，汇聚的用户业务数量也大大增加，这正是 OLT 设备工作在汇聚节点的意义所在。 再来讨论 OL

10、T 设备背板带宽和交换容量。OLT 的背板带宽是指板卡插槽和背板之间接口带宽的总和，交换容量是指系统中用户接口之间交换数据的最大能力之和，二者是衡量以 / - 3 - 中国科技论文在线太网设备最基本也是最重要的技术指标，也是 OLT 顺应“大容量”趋势的决定因素。结合现网中的 OLT 采用的主交换芯片参数，可以由公式(1)、(2)来计算： 背板带宽=（槽位数槽位带宽+上联万兆口数 12.5G+上联千兆口数 1.25） 2 2 =（20 12.5+ 4 12.5+ 4 1.25） 2 2=1.22T； （1） 交换容量=（槽位数槽位带宽+上联万兆口数 12.5G+上联千兆口数 1.25） 2 =

11、（20 12.5+ 4 12.5+ 4 1.25） 2=610G； （2） 通常由于设备内部的控制管理可能占用少量资源，系统实际可用容量参数将略小于交换芯片的参数，可以支持背板带宽达到 1T 左右，交换容量达到 600G 左右。随着 2009 年 9 月获批的 10G-EPON 标准出台，40/100G 以太网标准也正在积极准备审批当中，该标准定义的业务口和上联口速率将达到 40G 甚至 100G3。当芯片厂商推出这种芯片，OLT 设备的带宽和交换能力将获得更大提高。 2 重要部件冗余备份为 OLT 可靠工作提供保障 为了保证设备稳定可靠工作，OLT 必须对自身的重要部件进行保护，主要包括电源

12、 1+1保护、核心交换盘 1+1 主备倒换、上联盘 1+1 主备倒换、线卡业务盘的光线路保护倒换以及盘内、盘间 PON MAC 芯片级保护4。 电源的 1+1 保护是指设备从硬件上提供两个独立的电源输入，软件上提供电源故障告警。核心交换盘 1+1 主备倒换的原理在于交换芯片的并发选收机制，如图 3 所示是 OLT 上的数据流向：在上层软件及底层驱动的配合控制下，上、下行业务流经上联盘、核心交换盘到业务线卡，都遵循上联口和业务口向主备两条通道并行发包但只有主用通道选择性收包的原则，缺省状态下主盘中的配置生效并维持和上联盘及业务盘之间的通信，备用盘只负责实时同步主用盘的配置，且只有主用通道会收包；

13、当主备倒换的条件被触发，则主用和备用盘状态自动发生倒换，倒换时间可以优化到 0ms，有效防止在主控盘故障的情况下整个系统陷入瘫痪。上联端口的保护方案有很多，现讨论以下三种方案： 1）如果没有倒换时间要求，可以采用生成树协议阻塞掉冗余链路，必要时再使备用端口进入 forwarding 状态，这个方案的缺点是收敛时间只能是秒级； 2）如果要求快速倒换则可以采用同域相交环的配置方案，但这个配置较复杂又带来了一定的局限性； 3）采用主备链路冗余备份及快速迁移，由设备的图形网管提供接口供管理员配置端口对应链路的主备状态，下配置后软件所要做的动作主要是删除原主用端口对应的 MAC 地址转发表以及将备用端口

14、置为转发态，端口状态变化触发上联端口主备倒换，此方案配置简单同时优化了收敛时间； / - 4 - 中国科技论文在线 图 3 OLT 数据流向图 Fig. 3 Data flow diagram of OLT 线卡业务盘的光线路保护倒换以及盘内、盘间 PON MAC 芯片级保护可统称为 PON 保护倒换，它的主要原理是控制 PON 芯片只在工作态 PON 上发光以及倒换后完成主用和备用链路的 MAC 地址转换，该方案主要包括以下步骤5： 1）由图形网管指定并下发 PON 保护组配置，将主用链路和冗余链路设置告知 OLT 主控盘； 2）主控盘将配置下发给业务线卡，由线卡软件控制主用 PON 口链路

15、发光而冗余 PON口链路不发光，使得 OLT 工作在主用链路上与 ONU 进行上下行数据传输； 3）OLT 定期检测当前工作链路的状态，当工作链路状况出现异常时，将冗余链路倒换为工作链路，使得 ONU 在冗余链路上工作并继续与 OLT 进行上下行数据传输； PON 保护方案采用 2：N 的分路器来连接 OLT 和 ONU，节约了保护倒换中所需的冗余光纤和冗余设备，减少了保护倒换的时间。 3 组网应用中 OLT 基于链路层提供保护方案 OLT 提供基于链路层的保护方案，如图 3 所示的是基于二层架构的简化场景。OLT 的两条上行链路分别连至两台上游设备。这里需要解决两个问题。第一，OLT 双上联

16、到上游设备后引入了环路问题；第二，多台 OLT 承载的不同 VLAN 间如何通信。网络成环，首先容易行成广播风暴导致设备瘫痪；其次也容易出现 MAC 地址表不稳定，因为同一个数据包从设备的端口 1 流出后又经环路从端口 2 流进，将使得 OLT 交换芯片从两个端口学到相同的 MAC，最终造成报文转发错误。为了消除环路，OLT 通常采用支持 STP（Spanning Tree Protocol，生成树协议）的方案。启用 STP 的设备通过 BPDU 包选举出根桥、根端口和指定端口来收敛网络。在网络收敛之初，各端口通过向外广播 BPDU 包以及将自己的参数与收到的 BPDU 包内容进行比较来决定自

17、己当前应该 block 还是 forwarding，从而阻断冗余链路，使网络从逻辑上收敛成一棵树而消除可能存在的路径回环；同时在当前路径发生故障时BPDU 包也能激活 block 的端口进入 forwarding 状态，网络重新收敛后恢复连通性。基于这个原理，STP 家族还有进过改进的 RSTP 和 MSTP 可以灵活采用。 / - 5 - 中国科技论文在线 图 4 基于 VRRP 保护的简化场景 Fig. 4 simple scene of VRRP protection 多台OLT的VLAN间通信可以通过启用VRRP来解决。如图所示的两台设备进行VRRP配置后形成了一台虚拟路由器，将OLT

18、上承载的各VLAN 的默认网关设成虚拟路由器的 IP，就能使得这两台上游设备成为 OLT 的业务网关。VRRP 的选举机制可以决定由哪一台业务网关承担转发任务，承担转发任务的设备为 Master，其余设备（一台或多台）为 Backup。Master 和 Backup 之间通过 Trunk 互联，能处理所有 OLT 之间需要通信的 VLAN。对 OLT而言，只需要传递业务网关之间的一种称为 VRRP 心跳的通告报文，从而维护虚拟路由器的主备状态。当作为 Master 的网关失效或是一条上行链路发生故障时,Backup 设备在一定时间内就收不到用来维护主备状态的 VRRP 通告报文，此时会触发虚拟

19、路由器重新选举Master，发生主用和备用设备之间的倒换。这种场景下通过 BFD For VRRP 或者 VRRP Fast Timer 技术基本能实现 500ms 以下的保护倒换,因此能将单台设备故障对语音和 IPTV等实时业务造成的影响尽可能降到最低。 STP+VRRP 分段保护的解决方案从功能上能满足汇聚可靠性的需求，但实际应用中也存在缺陷。为避免临时环路，启用 STP 的端口从阻塞状态进入转发状态必须经历两倍的Forward Delay 时间，所以网络拓扑结构改变之后需要至少两倍的 Forward Delay 时间，才能恢复连通性；即使采用 RSTP 的快速迁移，也只能是秒级的收敛速度

20、，因此 STP 不适于对收敛时间有很高要求的用户。VRRP 方案可靠性较高,收敛时间也得以改善，但当 VRRP 发生主备切换时，原有主端口状态并没有发生变化，接口还是处于 UP 状态，该路由还会继续宣告，从而导致下行流不通；因此 VRRP 只能保护下游网络的上行流量，而上游网络的下行流量的切换需要修改上游三层设备的配置。因此目前各大设备厂商纷纷考虑在 OLT 上支持三层路由，实现 OLT 设备在网络级的路由保护倒换。 4 三层路由在 OLT 上的实现 传统的接入设备 OLT 是二层设备，在链路层主要通过 MAC 地址学习来实现数据包的交换和转发，且 VLAN 技术得以广泛应用。为了实现前向兼容

21、，OLT 上实现三层路由主要包括以下功能：SUPER VLAN、静态路由、RIP 和 OSPF 动态路由协议，支持路由的路径选优、实现硬件路由。OLT 设备实现路由的方法有两种：软件路由和硬件路由。软件路由就是通过 TCP/IP 协议栈实现 IP 报文的路由转发，硬件路由则由交换芯片根据路由条目实现硬件转发。 传统 OLT 中的业务 VLAN 是网络二层的概念。而在传统意义的三层设备中，VLAN 是 / - 6 - 中国科技论文在线三层虚接口，可以配置 IP 地址成为路由接口。因此为了实现最小改动，可以添加 SUPER VLAN 配置路由接口。SUPER VLAN 又称为 VLAN 聚合（VL

22、AN Aggregation），其原理是一个 SUPER VLAN 包含多个 SUB VLAN，每个 SUB VLAN 是一个广播域，不同 SUB VLAN之间二层相互隔离。SUPER VLAN 可以配置三层接口，SUB VLAN 不能配置三层接口。当SUPER VLAN 内的用户需要对外进行三层通信时，将统一使用 SUPER VLAN 三层接口的IP 地址作为网关地址，多个 SUB VLAN 共用一个 IP 网段从而节省了 IP 地址资源。同时，为了实现不同 SUB VLAN 间的三层互通及 SUB VLAN 与其他网络的互通，需要利用 ARP代理功能。通过 ARP 代理可以进行 ARP 请

23、求和响应报文的转发与处理，从而实现了二层隔离端口间的三层互通。图 4 是 SUPER VLAN 的典型应用场景： 图 5 SUPER VLAN 的典型应用场景 Fig.5 typical application scenarios scene of SUPER VLAN 如图 4 所示，PC1 要和 PC2 通信，由于他们是在同一个 VLAN 中，可以直接通信。但如果 PC1 希望和 PC3 通信：在数据链路层，二者不在同一个 VLAN 中，因此不能直接通信；如果通过 IP 层进行通信，就需要经过网关进行转发；又因为这两个 PC 的 IP 地址是在同一个网段之中，PC1 不会通过网关去查找 P

24、C3，因此，需要解决的问题就是必须有人为 PC1作代理，这正是 SUPER VLAN 的一个重要功能：ARP PROXY。当 PC1 希望和 PC3 通信时，它首先会在 VLAN 100 中广播请求 PC3 的 MAC 地址，此时 SUPER VLAN 就需要响应这个ARP 请求，返回自己的 MAC 地址 MAC0；PC1 收到 ARP 响应以后，就以 MAC0 为目的地址组包向 PC3 发包；SUPER VLAN 收到这个包以后，会将其目的 MAC 地址 MAC0 替换为PC3 的 MAC3；同时，将源地址 MAC1 更换为 MAC0。同样，当 PC3 回应以后，SUPER VLAN会更换其

25、源 MAC 地址和目的 MAC 地址，将这个包转给 PC1。在以后 PC1 和 PC3 的通信过程中，SUPER VLAN 自始至终，一直承担着更换 MAC 地址的任务，即实现 ARP PROXY。 三层接口的问题通过 SUPER VLAN 技术解决，下面还需要解决路由学习和管理的问题。路由管理模块维护系统的主机路由和网络路由，实现路由多路径优化选择、硬件路由和软件路由的同步。这里主机路由是指通过 ARP 学习到的主机地址生成的路由，网络路由是指由网管配置或路由协议学习到的路由。常用的路由协议有 RIP 和 OSPF。RIP 是路由信息协议（Routing Information Protoc

26、ol）的缩写，采用距离向量算法：距离就是通往目的站点所需经过的链路数，取值为 115，数值 16 表示无穷大。OSPF 协议根据 IP 数据报中的目的 IP 地址来进行路由选择，一旦决定了如何为一个 IP 数据报选择路径，就将数据报发往所选择的路径中，不需要额外的包头。与 RIP 相比，OSPF 协议的优点是收敛时间短，防止回路以及 / - 7 - 中国科技论文在线支持等值多路径选优。总的来说，在 OLT 的三层功能中，RIP 或者 OSPF 协议模块只负责收集路由，然后交给路由管理模块来进行决策管理。 综上所述，当网络故障导致路由发生改变时，OLT 便能感知并触发路由倒换，实现网络级的保护。

27、OLT 上三层路由功能的应用场景如下： 1) 图形网管配置静态路由 当图形网管配置静态路由时，该路由信息被发送到路由管理模块，经过择优后决定是否写入交换芯片实现硬件路由。 2) RIP、OSPF 协议学习到动态路由 路由协议学习到动态路由后，该路由信息同样被发送到路由管理模块，经过择优后决定是否写入交换芯片实现硬件路由。 3) ARP 学习到主机路由 ARP 学习到的主机路由发送到路由管理模块，直接写入交换芯片实现硬件路由。 5 结论 本文首先论述 OLT 向业务汇聚型设备发展的技术实力，然后从设备自身和组网的角度提出可靠性保护方案，认为重要部件冗余备份是 OLT 设备可靠工作的前提，并提出的

28、两种组网保护方案：基于数据链路层分段保护的 STP+VRRP 方案和基于三层路由的网络层保护方案。三层路由在 OLT 上的实现是本文的创新点，它将网络第三层的概念引入到传统的二层设备 OLT 上，简化了网络层次，具有配置简单，风险可控，维护管理方便的优点。 参考文献 (References) 1 IEEE Std 802.3ah-2004，IEEE Standard for Ethernet &EPON MAC S.149160. 2 Design of Application Specific Chip for EPONA;2003 5(th) International Conference on ASIC Proceedings Book 2 of 2C;2003 3 Steve Gorshe.下一代宽带接入技术-10Gbit/s EPONJ，电信技术,2009,(5):91-92. 4 敖立.光接入网发展趋势思考J，华为技术，2009，(38):12-13. 5 蒋铭,沈成彬,王成巍,杜喆.基于EPON的 FTTX接入网建设关键问题探讨J，电信科学，2008，(9):26-29. 6 齐江.无源光网络保护倒换方法和系统以及光线路终端接入卡P.中国专利：200410066698，2006-04-05