EPON系統(tǒng)三層路由及接口設(shè)計[圖]

0 引言

以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡（EPON）系統(tǒng)要達到電信級技術(shù)標準，提高局端設(shè)備光線路終端（OLT）運行的可靠性是其面臨的長期挑戰(zhàn)。隨著網(wǎng)絡扁平化概念的提出，具有“大容量、少局所、高交換”性能的匯聚型OLT經(jīng)過一個MSTP網(wǎng)絡就可以接入骨干網(wǎng)[1]。根據(jù)運營局方的需求，當MSTP傳輸網(wǎng)內(nèi)部故障時，不需要維護人員的直接干預，OLT能參與鏈路倒換并幫助實現(xiàn)網(wǎng)絡自愈。理論上接入網(wǎng)OLT、MSTP傳輸網(wǎng)以及骨干網(wǎng)可以采用分段保護方案，例如OLT上聯(lián)雙歸屬保護OLT-MSTP的鏈路，MSTP內(nèi)部鏈路的保護由MSTP本身負責，MSTP到上游骨干路由器的鏈路保護可以通過路由協(xié)議實現(xiàn)（收斂時間較長）。但是這種方法增加了網(wǎng)絡維護的復雜度，而且現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務已經(jīng)部分開通，修改設(shè)備的配置存在一定風險。如果采用VRRP方案，由于只是MSTP網(wǎng)內(nèi)部的鏈路狀態(tài)發(fā)生改變，當VRRP發(fā)生主備切換時，原有主用接口狀態(tài)并沒有發(fā)生變化，接口還是處于UP狀態(tài)，該路由還會繼續(xù)宣告，從而導致下行流不通�；�于OSPF協(xié)議的路由方案由于具有配置簡單，風險可控，維護管理方便的特點，因而被本設(shè)計采用。

1 OLT上的三層接口設(shè)計

1.1 VLAN技術(shù)在OLT上的應用

作為交換式以太網(wǎng)設(shè)備的一種，EPON系統(tǒng)OLT對數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)有著強大的支持能力，例如二層VLAN技術(shù)的廣泛應用。VLAN的劃分方法有3種：802.1Q VLAN、基于端口的VLAN和基于MAC地址的VLAN[2]。OLT上的二層業(yè)務VLAN運用802.1Q實現(xiàn)VLAN標記（tag）從而將VLAN延伸到整個網(wǎng)絡，而802.1Q VLAN的去標記（untagged）則使得OLT可以和所有合法的、無法識別VLAN標記的交換機一起工作；OLT還有一些內(nèi)部保留VLAN是基于端口劃分，加入同一個VLAN的端口形成一個廣播域，可以實現(xiàn)二層互通，不在同一個VLAN內(nèi)的端口之間在二層則不能直接通信。傳統(tǒng)OLT上比較特殊的一個（或多個）VLAN是管理VLAN，這種VLAN可以配置IP地址來和網(wǎng)管服務器進行通信，方便網(wǎng)絡管理員對OLT進行配置管理。

在傳統(tǒng)意義的三層設(shè)備中，VLAN是指三層虛接口，它們可以配置IP地址形成路由接口。因此，在OLT上實現(xiàn)三層路由首先必須創(chuàng)建三層接口。本設(shè)計采用SUPER-VLAN技術(shù)來解決二層VLAN和三層接口的矛盾。SUPER-VLAN也叫VLAN聚合，由SUB-VLAN和SUPER-VLAN組成，它的SUB-VLAN是二層實VLAN，不同VLAN之間在二層不能互通；SUPER-VLAN是三層虛VLAN，多個SUB-VLAN可以添加到同一個SUPER-VLAN，然后在SUPER-VLAN上配置IP地址形成三層接口。路由接口是OSPF方案設(shè)計進行的基礎(chǔ)。

1.2 基于SUPER-VLAN技術(shù)的三層接口設(shè)計

OLT上的三層接口由SUPER-VLAN來提供，SU-PER-VLAN三層轉(zhuǎn)發(fā)的基本原理如下[3]：如圖1所示，PC1和PC3屬于不同的SUPER-VLAN，即不同的網(wǎng)段�？寰W(wǎng)段設(shè)備的通信需要通過三層接口交互。PC1與PC3通信的過程如下：

① 通過比較IP地址和掩碼PC1知道PC3與自己不在同一個網(wǎng)段，PC1向網(wǎng)關(guān)發(fā)送一個ARP報文請求網(wǎng)關(guān)的MAC；

② 網(wǎng)關(guān)SUPER-VLAN 100回應自己的MAC 00-00-00-00-00-01給PC1；

③ PC1收到應答后發(fā)送目的MAC為00-00-00-00-00-01、目的IP為3.3.3.1的報文；

④ SUPER-VLAN 100收到報文后發(fā)現(xiàn)目的MAC是自己的MAC，就知道是三層轉(zhuǎn)發(fā)，從而去查三層轉(zhuǎn)發(fā)表；

⑤ 查找到下一跳的出口是SUPER-VLAN 200，就把報文發(fā)給SUPER-VLAN 200；

⑥ SUPER-VLAN 200收到報文，將報文轉(zhuǎn)發(fā)給PC3。

現(xiàn)在考慮PC1和PC2的通信流程。比較PC1和PC2的IP地址可以知道二者同屬于一個子網(wǎng)，PC1就會廣播ARP報文請求PC2的MAC。而由于PC1和PC2不在同一個SUB-VLAN中，ARP廣播報文不能到達PC2。此時，SUPER-VLAN就需要發(fā)揮它的另一個重要作用--ARP PROXY。SUPER-VLAN的ARPPROXY功能工作流程如下：

① PC1廣播一個ARP報文請求PC2的MAC；

② SUPER-VLAN 100發(fā)現(xiàn)PC2不在SUB-VLAN1內(nèi)，就代理接受該ARP報文；

③ SUPER-VLAN100在SUB-VLAN 2內(nèi)廣播ARP報文請求PC2的MAC地址；

④ PC2應答ARP請求，將自己的MAC 00-00-00-00-00-03發(fā)送給SUPER-VLAN 100；

⑤ SUPER-VLAN 100作為網(wǎng)關(guān)應答PC1的ARP請求，將自己的MAC 00-00-00-00-00-01當作PC2的MAC發(fā)送給PC1。后續(xù)PC1發(fā)送給PC2的報文就會將帶上目的MAC 00-00-00-00-00-01、目的IP 1.1.1.2的報文發(fā)送給SUPER-VLAN網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)收到該報文后將自己的MAC替換成PC2的MAC 00-00-00-00-00-03，并把報文按照學習到的路由發(fā)送給PC2。

2 路由軟件設(shè)計

2.1 路由管理模塊設(shè)計

路由可以分為靜態(tài)路由和動態(tài)路由兩大類。靜態(tài)路由由網(wǎng)絡管理者直接配置產(chǎn)生，動態(tài)路由由路由協(xié)議學習生成。為了實現(xiàn)軟件路由表和交換芯片路由表的同步和路由擇優(yōu)等功能，需要進行路由信息收集、過濾、優(yōu)選等操作，因此系統(tǒng)中需要路由管理模塊維護不同的路由表項。路由管理模塊（RTM）位于各軟硬件平臺驅(qū)動層之上，三層功能協(xié)議層及管理層之下，是三層功能實現(xiàn)的核心模塊。根據(jù)設(shè)計，它在系統(tǒng)中需要完成的工作如下：

① 管理員配置添加三層接口，包括添加SUPER-VLAN、SUB-VLAN以及IP；

② 接口管理模塊向路由管理模塊通告接口事件，如接口的UP/DOWN事件；

③ 協(xié)議模塊學習到動態(tài)路由，進行動態(tài)路由的添加/刪除；

④ 路由管理模塊處理接口變化事件，并通知各三層功能協(xié)議模塊；同時管理來自協(xié)議模塊的動態(tài)路由的寫入與刪除；

⑤ OS IP協(xié)議棧ARP功能提供主機路由表的維護，并向路由管理模塊提供路由條目中下一跳Gate-way相關(guān)的ARP功能；

⑥ 交換芯片驅(qū)動為路由管理模塊提供硬件FIB表的刪除與寫入功能。

⑦ OS IP協(xié)議棧向路由管理模塊提供硬件FIB表的刪除與寫入功能。

對應上述功能，設(shè)計將路由管理模塊劃分成更小的模塊來分別實現(xiàn)。如圖2所示，路由管理模塊（RTM）由路由表控制模塊（RTM_CTRL）、主機路由控制模塊、管理與配置模塊、動態(tài)路由消息處理模塊、接口消息處理模塊、操作系統(tǒng)適配層以及驅(qū)動適配層組成。

路由表（RIB table）由節(jié)點鏈表組成，每個節(jié)點表示到達一個目的網(wǎng)段的所有路由。如圖3所示，每一個node中都記錄3張RIB表，分別是RIB-active表、RIB-standby表和RIB-pend表，每一個表的子項都是到達該目的網(wǎng)段的路由信息，即RIB路由條目、RIB里面記錄路由類型（RIP/OSPF/靜態(tài)等）、下一跳網(wǎng)關(guān)、距離、metric和生成時間等。

RIB-active中的RIB路由表示當前激活的路由，該路由會被寫入到硬件FIB和OS FIB中去，實現(xiàn)業(yè)務流的三層轉(zhuǎn)發(fā)功能。通常一個目的網(wǎng)段只有一個active路由。

RIB-standby中的路由條目是可到達但不是最優(yōu)路徑的路由，當active路由不可用時，路由管理模塊會在standby RIB找一個最優(yōu)路由升級為active路由。

RIB-pend路由表中的路由是由于該路由的下一跳網(wǎng)關(guān)不可達（查ARP表）而暫時掛起的路由路徑，當下一跳網(wǎng)關(guān)可達后，該路由會升級為standby路由或者是active路由。

2.2 OSPF路由原理

OSPF是一種鏈路狀態(tài)路由協(xié)議，被設(shè)計用于單一的自制系統(tǒng)（AS）中。每個OSPF路由器都維持著同樣的數(shù)據(jù)庫以描述AS的拓撲結(jié)構(gòu)，并以此數(shù)據(jù)庫來創(chuàng)建最短路徑樹和計算路由表。OSPF提供等值多路徑。在發(fā)現(xiàn)拓撲改變后，OSPF僅利用很少的路由流量就可以快速地重新計算出路徑。通過提供區(qū)域路徑，來提供額外的路徑保護并可以減少協(xié)議所需要的流量。有關(guān)路由表的計算是OSPF的核心內(nèi)容，它是動態(tài)生成路由器內(nèi)核路由表的基礎(chǔ)。這里將復雜的OSPF計算過程總結(jié)為以下四點：

① 當路由器初始化或當網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)發(fā)生變化（例如增減路由器，鏈路狀態(tài)發(fā)生變化等）時，路由器會產(chǎn)生鏈路狀態(tài)廣播數(shù)據(jù)包LSA（Link-State Advertisement），該數(shù)據(jù)包里包含路由器上所有相連鏈路，也即為所有端口的狀態(tài)信息。

② 所有路由器會通過一種被稱為刷新（Flooding）的方法來交換鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)。Flooding是指路由器將其LSA數(shù)據(jù)包傳送給所有與其相鄰的OSPF路由器，相鄰路由器根據(jù)其接收到的鏈路狀態(tài)信息更新自己的數(shù)據(jù)庫，并將該鏈路狀態(tài)信息轉(zhuǎn)送給與其相鄰的路由器，直至穩(wěn)定的一個過程。

③ 當網(wǎng)絡重新穩(wěn)定下來，即OSPF路由協(xié)議收斂下來時，所有的路由器會根據(jù)其各自的鏈路狀態(tài)信息數(shù)據(jù)庫計算出各自的路由表。該路由表中包含路由器到每一個可到達目的地的Cost以及到達該目的地所要轉(zhuǎn)發(fā)的下一個路由器（next-hop）。

④ 當網(wǎng)絡狀態(tài)比較穩(wěn)定時，網(wǎng)絡中傳遞的鏈路狀態(tài)信息是比較少的。這也正是鏈路狀態(tài)路由協(xié)議區(qū)別于距離矢量路由協(xié)議的一大特點。

通過以上步驟，OSPF動態(tài)監(jiān)視網(wǎng)絡狀態(tài)，一旦發(fā)生變化則迅速擴散，達到對網(wǎng)絡拓撲的快速聚合，從而確定出新的網(wǎng)絡路由表。這里的路由表不同于實現(xiàn)路由轉(zhuǎn)發(fā)功能時用到的內(nèi)核路由表，它只是OSPF本身的內(nèi)部路由表。因此，完成上述工作后，往往還要通過路由管理模塊與內(nèi)核路由表交互，實現(xiàn)三層轉(zhuǎn)發(fā)。

3 OSPF在OLT上的應用

基于上述設(shè)計開發(fā)出OSPF路由軟件后，針對OLT的OSPF雙上聯(lián)功能設(shè)計如圖4所示組網(wǎng)，三層接口分別作用在圖示SV1、SV2以及SV3，配置過程如圖5所示。

在SV2、SV3上使能OSPF協(xié)議，配置SV3的OSPF Cost="10"，SV2的OSPF Cost="1000"，則路由管理模塊優(yōu)選出Cost=10的路由條目，PC1與PC2和PC3之間的通信優(yōu)先通過下一跳為SV3（IP為192.168.10.54）的路由來建立。結(jié)合圖1所示工程應用組網(wǎng)，OSPF倒換的觸發(fā)條件至少有兩種情況。第一種是協(xié)議超時。當MSTP網(wǎng)絡內(nèi)部端口DOWN掉或者鏈路遭到破壞，OSPF協(xié)議通過LSA的超時機制探測到鄰居和路由變化，所有運行OSPF的設(shè)備重新刷新自己的數(shù)據(jù)庫直到網(wǎng)絡再次收斂。第二種情況是與OLT直接相連的端口down掉，此時OLT的三層接口通過SUB-VLAN感知到端口狀態(tài)變化并通知路由管理模塊。路由管理模塊為OSPF協(xié)議模塊提供服務，通知OSPF重新計算和刷新路由表，觸發(fā)倒換，倒換前后OSPF路由表變化如圖6所示。根據(jù)這兩種情況人為破壞端口狀態(tài)觸發(fā)倒換進行各種測試，測試結(jié)果均表明OLT設(shè)備能將路由倒換到下一跳為SV2（IP為192.168.2.54）的條目上。兩種條件下的倒換都無需人工干預，實現(xiàn)對MSTP內(nèi)部通信鏈路的保護。

4 結(jié)束語

本設(shè)計的特點在于將OSPF路由技術(shù)引入傳統(tǒng)意義上的二層設(shè)備OLT，使得OLT在網(wǎng)絡層不僅能提供對下游網(wǎng)絡上行鏈路保護，還能在不改變上游設(shè)備配置的前提下提供對其下行鏈路的保護。另外由于VLAN的二層概念在EPON系統(tǒng)中得以廣泛應用，三層接口的添加勢必給系統(tǒng)帶來較大改動；本設(shè)計巧妙利用SUPER-VLAN技術(shù)，將OLT上的VLAN虛實結(jié)合應用，既保留原有業(yè)務VLAN的二層特性，又增加了三層虛接口配置IP的功能，保證了OLT軟件的前向兼容性。目前，本設(shè)計的軟件實現(xiàn)已經(jīng)通過實驗室場景測試，正在進行最后的優(yōu)化和工程測試。