基于链路聚合的以太环保护倒换的设计与实现

张 洁，罗志成，李明春

（1.武汉邮电科学研究院，湖北武汉 430074；2.烽火通信科技股份有限公司，湖北武汉 430074）

随着网络技术的快速发展，网络中部署的业务量不断增多[1-2]。以太网链路聚合将多个物理接口绑定为一个逻辑接口，有效提高了设备之间链路的可靠性和数据传输能力[3-5]。以太网通常使用环形拓扑为网络提供冗余保护，但存在广播风暴等故障现象，生成树协议(Spanning Tree Protocol，STP)将环形网络修剪成一个无环的树型网络，但是网络收敛时间在秒级，无法满足高服务质量要求的业务[6-7]。与STP协议相比，ERPS 通过阻塞特定的端口达到消除环路的目的[8-10]，收敛时间在50 ms 以内，可满足电信级可靠性。

文中设计和实现了基于以太网链路聚合开启ERPS 协议，正常情况下，用户流量完好；当链路聚合组中出现链路故障时，可以通过备份链路保证链路带宽；当整个聚合组不工作时，ERPS 协议发生保护倒换，放开RPL 端口恢复通信，故障中断时间控制在50 ms以内。

1 协议原理与实现

1.1 以太网链路聚合

以太网链路聚合是将多个物理端口汇聚在一起，形成一个逻辑端口，以实现出入流量吞吐量在各成员端口的负载分担。如高速公路上的单车道，扩建为双向八车道，那么高速公路的通过能力将变得更强[11-12]。

两台设备之间通过多条物理链路连接，称为链路聚合组(Trunk)，被捆绑在一起的每一个物理接口称为该链路聚合组的成员接口，其中用来转发数据的接口为活动接口，处于选中(Selected)状态，而非活动接口不参与数据的转发，处于非选中(Unselected)状态。

以太网链路聚合根据是否启用链路聚合控制协议(Link Aggregation Control Protocol，LACP)分为手工链路聚合和LACP 链路聚合。手工链路聚合只能在同厂商设备上使用，而LACP 链路聚合方式符合国际标准，因此可以实现不同厂商之间的互通。

1.2 ERPS

ERPS 是ITU_T 定义的二层破环协议，通过环自动保护倒换协议数据单元(Ring Auto Protection Switching Protocol Data Unit,R-APS PDU)与对端交互。由一个主节点和若干个普通节点组成的ERPS环是ERPS 协议的基本组成单位，其中主节点是ERPS 的主要决策和控制节点，每个环上有且仅有一个，除此之外的节点为普通节点(Common)。每个节点最多仅有两个端口加入同一个ERPS 环，在ERPS协议中，需要指定主节点上其中一个端口角色为RPL，在正常状态下RPL 端口状态为阻塞(Blocking)，只处理协议报文，不转发数据报文，除此之外的端口角色为Common，端口状态为转发(Forwarding)，此状态下端口既可转发数据，也可以接收和转发协议报文。传输协议报文和数据报文的虚拟局域网(Virtual Local Area Network，VLAN)需要映射在保护实例中，同一个ERPS 环上的设备配置相同的控制VLAN，控制VLAN 用于传输ERPS 协议报文，数据VLAN 用于转发用户流量[13-14]。

设备A～C 组成一个ERPS 环，设备A 为主节点，PA1 的端口角色为RPL，其他设备为普通节点，端口角色为Common。正常状态下，主节点A 将端口PA1的状态置为Blocking，不参与用户数据的转发，在物理成环的情况下阻塞端口达到破环的目的，保护用户数据；当环路发生故障，如设备B-C 间链路故障，则主节点A 打开阻塞端口PA1，端口状态变为Forwarding，可参与用户数据的转发，实现了对用户数据的切换；故障恢复后，重新阻塞主节点A 的端口PA1，避免网络成环。

2 方案设计

基于以太网链路聚合实现ERPS 协议在OLT 设备上的运行，需要在命令行增加链路聚合组的配置和查询，保证ERPS 协议可以基于链路聚合组对普通端口进行操作。另外是两个协议之间的互相通告，如链路聚合组中成员端口的添加(ADD)和删除(DEL)、链路聚合组的连接(up)/断开(down)事件，需要通知ERPS 协议模块作处理，ERPS 协议运行后的结果也需要通知以太网链路聚合模块，更新链路聚合组的状态[15-16]。上述事件的处理和完成要求收敛速度足够快，达到电信级可靠性。

2.1 命令行配置

配置命令为erps ring ＜ring-id＞primary-linkaggregation ＜trunkid＞role [common|rpl-port]和erps ring ＜ring-id＞secondry-link-aggregation ＜trunkid＞role [common|rpl-port]，查询命令为show erps ring ＜ring-id＞trunk ＜trunkid＞。其中，ring-id 是环ID，根据环ID 区分不同的逻辑环，trunkid 代表链路聚合组号，端口角色有两种：common 和rpl-port，由用户自行设置，确保环中设备上有一个端口为rpl-port。

配置命令的实现流程图如图1 所示。设备开启ERPS 协议时会进行模块初始化，创建一个ERPS 协议的轮询任务erp_task，这个任务中根据消息类型触发状态机的运转。基于以太网链路聚合配置ERPS协议时，首先需要检查命令行中输入参数的合法性，当输入参数合法且链路聚合组存在的情况下，将配置信息写入数据库，遍历聚合组内普通端口，设置端口状态并刷新端口的转发数据表(Forwarding Data Base，FDB)。

图1 命令行配置流程

查询命令的实现与配置命令类似，当命令中有输入参数时先判断参数的合法性，参数合法时判断聚合组是否存在，若存在则从数据库中获取聚合组的信息并显示。

2.2 Trunk组成员变动

Trunk 组内成员的变动，包括成员添加或者删除，ERPS 协议模块设置一个钩子函数，当Trunk 组内成员变动时，注册的钩子函数将通知ERPS 模块进行处理，处理流程如图2 所示。

图2 Trunk组成员变动处理流程

在ERPS 轮询任务中，若删除Trunk 组中成员，如Trunk 组中某一条链路故障或者人为删除Trunk组中某一条链路，此时需要将端口信息（端口默认转发状态、速率、双工模式等）恢复为默认值。若Trunk组中添加成员，如链路带宽不足需要增加带宽，那么新加入的链路端口信息需要与链路聚合组保持一致，因此，需要先查询新端口加入链路聚合组的信息，并根据该信息对新端口进行设置，设置后新端口将更新自己的端口状态并刷新FDB 表。

2.3 Trunk组up/down

Trunk 组up/down 的处理流程涉及到报文交互和定时器的设计，IDLE 表示正常状态，Protection 表示保护状态，设备A 是主节点RPL Owner。

Trunk 组故障时的操作如图3 所示，步骤如下。

图3 链路故障时的操作

A：正常状态；

B：节点B 和节点C 之间链路故障；

C：节点B 和C 检测到本地信号故障，打开Holdoff Timer 定时器，阻塞故障端口并执行刷新FDB 操作；

D：当SF (Signal Failed)条件存在的情况下，节点B 和C 周期性地发送SF R-APS 报文，为了快速进行保护倒换，前3 个报文的发送间隔为3.3 ms；

E：所有节点接收到SF R-APS 报文后刷新FDB表，主节点接收到SF R-APS 报文后，放开RPL 端口并刷新FDB；

F、G：环上SF 信号稳定存在时，不会触发进一步操作。

Trunk 组链路恢复时的操作如图4 所示，步骤如下。

图4 故障恢复

A：稳定的SF 条件；

B：链路故障恢复；

C：节点B 和C 检测到本地SF 条件清除，启动Guard Timer 定时器，并周期性向外发送NR(No Request)R-APS 报文；

D：当主节点接收到NR 报文后，启动WTR(Wait to Restore)timer 定时器；

E：当节点B 和C 上Guard Timer 超时后，就可接收新的R-APS 报文；

F：主节点上的WTR timer 超时后，阻塞RPL 端口，并发送NR、RB(No Request,RPL Blocked) R-APS报文，刷新FDB。

G：当节点B 和C 收到NR、RB R-APS 报文后，将放开阻塞的端口并停止发送NR 报文。

3 场景设计与实现

根据上述原理与方案设计，在OLT 上开发实现了基于以太网链路聚合的环网保护倒换。使用3 台OLT 和一台流量测试仪(TestCenter)搭建图5 所示的网络拓扑图进行测试。

图5 测试拓扑图

设备A 为主节点，设备A 的Trunk 组2 的角色为RPL，其他设备为普通节点，Trunk 组的角色为Common。正常收敛状态下，由测试仪口1 向口2 模拟发送用户数据，测试仪口2 可以正常接收，说明环路中设备运行正常，各端口状态正确。依次断开AC、BC、AB 间链路聚合组中成员端口，然后重新连接，依次将AC、BC、AB 间链路聚合组断开连接后再重新连接，观察环路中的链路切换，记录流量测试仪的丢包数。测量多组数据后取平均值，如表1 所示，流量测试仪的发包速率为1 000 Frames/s。

表1 测试结果

正常状态下，数据流向为：仪表口1-A-B-C-仪表口2，从表1 可以看出，AC 之间链路的改变不会造成丢包，BC 和AB 之间链路的改变、保护倒换时间均在50 ms 以内，因此可知，方案设计合理，该机制切实可行。

4 结束语

文中提出了将以太网链路聚合与ERPS 协议相结合，在普通端口的基础上增加对聚合组的操作，不仅拓宽了网络带宽，增加了数据的传输能力，而且实现了环网的保护倒换，提高了网络的可靠性。