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    鏈路聚合在MSAP設(shè)備上的設(shè)計與實現(xiàn)

    2013-01-31 05:22:34王小玫任海蘭
    電視技術(shù) 2013年9期
    關(guān)鍵詞:以太網(wǎng)報文端口

    王小玫,任海蘭

    (武漢郵電科學研究院光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國家重點實驗室,湖北 武漢430074)

    隨著互聯(lián)網(wǎng)上數(shù)據(jù)量的日益增長,運營商對采用以太網(wǎng)技術(shù)的數(shù)據(jù)接入設(shè)備的帶寬和可靠性提出了越來越高的要求。在傳統(tǒng)技術(shù)中,最直接的解決辦法就是更換高速率設(shè)備來提高網(wǎng)絡(luò)帶寬,但這需要耗費大量人力和物力,且設(shè)備更換的開銷也讓運營商難以承受,因此該方法并不可取。鏈路聚合技術(shù)(Link Aggregation)通過將多個物理端口綁定為一個邏輯端口來增加鏈路帶寬,同時采用備份鏈路的機制,有效地提高設(shè)備之間鏈路的可靠性,而且大大節(jié)約了成本。在不進行設(shè)備更換的條件下很好地解決鏈路帶寬和連接可靠性問題,因此是一種很實用的技術(shù)。手工鏈路聚合是鏈路聚合的一種聚合模式,應(yīng)用比較廣泛,大多數(shù)運營級網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均支持該特性,當需要在兩個直連設(shè)備間提供一個較大的鏈路帶寬而對端設(shè)備又不支持LACP協(xié)議時,可以使用手工鏈路聚合。

    1 MSAP介紹

    MSAP(多業(yè)務(wù)接入平臺)是定位于城域網(wǎng)邊緣接入層,基于成熟的SDH技術(shù),采用先進的GFP,VCAT,LCAS技術(shù),融合以太網(wǎng)交換技術(shù)和ATM交換技術(shù),實現(xiàn)TDM業(yè)務(wù)、以太網(wǎng)業(yè)務(wù)和ATM業(yè)務(wù)的綜合傳輸平臺[1]。MSAP支持多種業(yè)務(wù),配置靈活,能夠提供PDH、V.35、以太網(wǎng)的光連接和大量E1、語音接口以及多個SDH上聯(lián)光接口,具有強大的組網(wǎng)能力。MSAP可以通過點對點透傳、L2匯聚加透傳和以太共享環(huán)這3種方式處理以太網(wǎng)業(yè)務(wù),其中匯聚加透傳是指MSAP可以在系統(tǒng)內(nèi)部提供二層交換功能,即在一個或多個用戶以太網(wǎng)接口與一個或多個獨立的網(wǎng)絡(luò)鏈路之間,提供基于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層的交換,實現(xiàn)虛擬網(wǎng)橋(Virtual Bridge)功能,匯聚后的數(shù)據(jù)流再通過點對點透傳至MSTP網(wǎng)的終結(jié)點[2]。MSAP提升了接入網(wǎng)的組網(wǎng)能力和設(shè)備的集成度,實現(xiàn)了傳輸與接入設(shè)備的統(tǒng)一管理,降低了建網(wǎng)和運維成本[3]。MSAP尤其適合對帶寬和業(yè)務(wù)質(zhì)量有較高要求的高端企業(yè)用戶。

    2 鏈路聚合原理

    鏈路聚合也稱為端口匯聚(Port Trunking),該技術(shù)是將多個端口匯聚在一起形成一個匯聚組,實現(xiàn)出/入負荷在匯聚組中各個成員端口的負載均衡。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信物理接口帶寬容量主要是1 000/100/10(Mbit·s-1)[4],通過鏈路聚合將端口捆綁在一起成倍地增加鏈路帶寬,如果鏈路使用中一個端口出現(xiàn)故障,網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流可以動態(tài)地快速轉(zhuǎn)向鏈路中其他工作正常的端口進行傳輸,這樣,鏈路聚合技術(shù)在點到點鏈路上提供了固有的、自動的冗余性,實現(xiàn)了鏈路備份和系統(tǒng)容錯[5]。

    手工聚合的匯聚組由用戶配置,不允許系統(tǒng)自動添加或刪除匯聚組中的端口。聚合組中的端口有Selected(選中)和Unselected(未選中)兩種狀態(tài)。成員端口兩種狀態(tài)的確定主要依賴于參考端口,參考端口根據(jù)端口的雙工模式和速率大小從成員端口中選出,成員端口雙工速率的變化可能會影響參考端口的變化。聚合鏈路的總帶寬等于所有處于選中狀態(tài)端口的流量總和,并且聚合鏈路的流量會分擔到各個成員端口上。這種聚合模式穩(wěn)定性較好,不易受網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的影響。

    3 手工聚合在MSAP中的實現(xiàn)方案

    3.1 MSAP設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接

    MSAP的網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖1所示,一端接PTN傳輸網(wǎng),另一端接SDH傳輸網(wǎng)。MSAP設(shè)備主要的板卡有匯聚卡、業(yè)務(wù)卡、上聯(lián)卡、網(wǎng)管盤及2M16卡,業(yè)務(wù)卡由于本身硬件條件及應(yīng)用環(huán)境的限制不能實現(xiàn)聚合功能,經(jīng)創(chuàng)新設(shè)計通過匯聚卡實現(xiàn)聚合功能。將業(yè)務(wù)卡向匯聚卡匯聚,在匯聚卡上配置聚合組,數(shù)據(jù)流從聚合組中處于選中狀態(tài)的成員端口轉(zhuǎn)發(fā),這里的成員端口主要是匯聚卡的2個千兆口。業(yè)務(wù)卡的業(yè)務(wù)通過背板總線的交換口向匯聚卡匯聚,不同槽號業(yè)務(wù)卡通過網(wǎng)管界面配置向匯聚卡匯聚,使得業(yè)務(wù)卡的上聯(lián)口連接到Marvell6097的百兆口,然后業(yè)務(wù)通過Marvell6097的千兆口輸出到PTN傳輸網(wǎng)上進行傳輸。業(yè)務(wù)卡通過交叉連接盤配置交叉業(yè)務(wù),然后通過2M16板卡下2M業(yè)務(wù),經(jīng)過E1協(xié)轉(zhuǎn)和光纖收發(fā)器接到用戶端。

    圖1 MSAP設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接圖

    3.2 功能實現(xiàn)總體框架

    手工聚合在MSAP上的實現(xiàn)框架如圖2所示,主要包括配置模塊和實現(xiàn)模塊。實現(xiàn)模塊主要包括初始化、創(chuàng)建/刪除聚合組、添加/刪除聚合端口、端口狀態(tài)檢測、配置同步、流量負載分擔、靜態(tài)選擇以及驅(qū)動讀寫。

    圖2 鏈路聚合總體框架圖

    配置模塊和聚合實現(xiàn)模塊的主要內(nèi)容如下:

    1)配置模塊。配置模塊主要包括SNMP mib以及網(wǎng)管界面,該模塊負責解析和處理用戶輸入的相應(yīng)命令,是用戶與鏈路聚合模塊的接口。

    2)初始化。初始化主要是為鏈路聚合的運行作準備,如全局變量的初始化、命令注冊以及聚合組狀態(tài)的確定(這里聚合組都初始化為無效狀態(tài),無成員端口)。

    3)端口狀態(tài)監(jiān)測。它主要負責不停地讀取端口在聚合組中的Select/Unselect狀態(tài),然后根據(jù)端口的狀態(tài)重新將流量分配到各個處于選中狀態(tài)的端口上。

    4)創(chuàng)建/刪除聚合組。創(chuàng)建聚合組就是將聚合組狀態(tài)標識位置1,表示該聚合組現(xiàn)在有效;當聚合組中沒有成員才可以將該聚合組刪除,將聚合組狀態(tài)標識位置0,即該聚合組無效,不能再對該聚合組進行操作。

    5)向聚合組添加/刪除端口。向一個聚合組中添加/刪除成員端口。

    6)配置同步。在對聚合接口進行配置時,聚合組中的所有成員端口的配置要進行自動同步,而且這些配置會保存在端口上,即使聚合組被刪除,這些端口的配置仍然會保存。

    7)負載均衡。主要是通過負載分擔表的填寫和hash算法來將流量盡可能均勻地分配到聚合組中處于選中狀態(tài)的端口上。

    8)靜態(tài)選擇。靜態(tài)選擇主要是進行聚合組中參考端口的選擇以及成員端口Select/Unselect狀態(tài)的確定。

    9)驅(qū)動讀寫。將邏輯上算好的值寫入芯片或從芯片中獲取當前值,這里主要是操作Marvell6097提供的API函數(shù)。

    3.3 關(guān)鍵技術(shù)

    實現(xiàn)MSAP上的手工聚合功能最主要的部分就是確定端口的Selected/Unselected狀態(tài),根據(jù)端口狀態(tài)來填寫負載均衡表。涉及到的關(guān)鍵技術(shù)是靜態(tài)選擇邏輯(參考端口的選擇和成員端口狀態(tài)的確定)和負載均衡技術(shù)。

    3.3.1 靜態(tài)選擇邏輯

    靜態(tài)選擇模塊包括參考端口的選擇和成員端口Selected/Unselected狀態(tài)的確定。

    參考端口的選擇規(guī)則如下:當聚合組內(nèi)有處于UP狀態(tài)的端口時,先比較端口的聚合優(yōu)先級,優(yōu)先級數(shù)值最小的端口作為參考端口;如果優(yōu)先級相同,再按照端口的全雙工/高速率→全雙工/低速率→半雙工/高速率→半雙工/低速率的優(yōu)先次序,選擇優(yōu)先次序更高、且第二類配置與對應(yīng)聚合接口相同的端口作為該聚合組的參考端口;如果優(yōu)先次序相同,則選擇端口號最小的端口作為參考端口。

    聚合組中成員端口Selected/Unselected狀態(tài)的確定流程如圖3所示。

    圖3 成員端口狀態(tài)確定流程圖

    另外,聚合組中端口的選擇遵循非搶占原則[6]。當一個聚合組中處于選中狀態(tài)的端口已經(jīng)達到聚合組所支持的最大端口數(shù)時,如果再添加的端口也符合選中條件,此時端口號越小越優(yōu)的原則將會失效,已經(jīng)處于選中狀態(tài)的端口優(yōu)先。這樣就可以避免某個正在轉(zhuǎn)發(fā)流量的端口突然中斷。

    3.3.2 負載均衡及動態(tài)備份

    在聚合組下設(shè)置驅(qū)動后,鏈路聚合系統(tǒng)會根據(jù)特定的算法把通過聚合接口發(fā)送的報文分配到各個處于選中狀態(tài)的成員端口上進行轉(zhuǎn)發(fā),以此實現(xiàn)流量的負載均衡。這里的負載均衡采用的是hash算法。當聚合組中成員端口的Link狀態(tài)發(fā)生變化時,會影響到該端口在聚合組中的Select/Unselect狀態(tài),則需重新填寫負載分擔表。硬件算法得出一個hash值,然后根據(jù)該hash值和負載均衡表來確定報文從哪個端口進行轉(zhuǎn)發(fā)。

    匯聚卡的兩個千兆口(下面簡稱G01,G02)屬于同一個聚合組,當兩個端口都屬于選中狀態(tài)時,負載均衡表配置如圖4a所示,如果hash值為0,2,4,6,流量從G01轉(zhuǎn)發(fā),hash值為1,3,5,7,流量從G02轉(zhuǎn)發(fā),通過每個端口的報文數(shù)比例為1∶1。如果聚合組中端口的Selected/Unselected(未選中)發(fā)生變化,那么均衡表的值會隨之改變,如果G02因某種原因變?yōu)槲催x中狀態(tài),那么負載均衡表如圖4b所示,報文全部從G01進行轉(zhuǎn)發(fā),當G02再次從Unselect狀態(tài)變?yōu)镾elect狀態(tài)后,報文會再次均衡到兩個千兆口上進行轉(zhuǎn)發(fā)。

    圖4 負責均衡表配置

    Marve7ll6097用到的hash算法主要采用源MAC地址和目的MAC地址異或的方法[4]。取源MAC和目的MAC的最后3 bit進行異或運算,得到的值在0~7之間,然后再根據(jù)負載分擔表決定流量應(yīng)該通過哪條鏈路進行轉(zhuǎn)發(fā)。如源MAC為00-00-00-00-0F-01,目的MAC為00-00-00-00-0F-63,最后3 bit進行異或后的結(jié)果為2,則該流量將從G01轉(zhuǎn)發(fā)。

    調(diào)用Marvell6097提供的API函數(shù),根據(jù)用戶對聚合組的設(shè)置,對聚合組、聚合組成員端口及負載均衡表做不同的設(shè)置:

    u_longLAG_SetMar6095Trunk(TRUNKING_MEMBER*tm)

    {

    …/*找出聚合組中的成員端口*/

    gprtSetTrunkPort(dev,port,GT_TRUE,trunkld);/*開啟端口的聚合功能*/

    gprtSetTrunkRouting(dev,trunkId,tm→TrunkPortList);/*將聚合組的成員下發(fā)硬件*/

    …/*軟件求出均衡表的值*/gprtSetTrunkMaskTable(dev,i,mask)/*填寫負載均衡表*/

    }

    4 功能測試與結(jié)果分析

    手工鏈路聚合功能測試環(huán)境如圖5所示,用到的主要設(shè)備有MSAP、以太網(wǎng)測試儀、E1協(xié)轉(zhuǎn)、光纖收發(fā)器。以太網(wǎng)測試儀的一端用于接匯聚卡的千兆口,另一端接光纖收發(fā)器。

    圖5 手工鏈路聚合功能測試環(huán)境

    通過MSAP網(wǎng)管界面將業(yè)務(wù)板卡(如EOS/EOP)的匯聚模式配置為向上匯聚(向匯聚卡匯聚),保證兩個千兆口都處于up狀態(tài),并將匯聚卡的兩個千兆口加入到同一個聚合組,然后通過交叉盤配置交叉連接,業(yè)務(wù)將通過2M16卡下到一個E1協(xié)轉(zhuǎn),然后到光纖收發(fā)器。

    以太網(wǎng)測試儀從光纖收發(fā)器端發(fā)送源MAC為00-00-0F-00-FF-00,目的MAC是從00-00-0F-00-00-00到00-00-0F-0F-42-40的連續(xù)的1 000 000個報文,G01和G02兩個端口分別收到500 000個數(shù)據(jù)包。然后再次開始發(fā)送數(shù)據(jù)的同時將G02狀態(tài)設(shè)置為link down,鏈路L2將不再轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報文,G01上收到998 580個數(shù)據(jù)包,少量掉包。

    根據(jù)hash算法算出的hash值為0~7,然后根據(jù)負載分擔表將流量分配到各個成員端口上,兩個端口都處于up狀態(tài)時,測試結(jié)果與理論結(jié)果一致。在一個端口狀態(tài)發(fā)生變化時,重新設(shè)置負載均衡表,在這個過程中出現(xiàn)少量掉包屬于正?,F(xiàn)象,可以很快恢復正常通信。

    5 小結(jié)

    鑒于鏈路帶寬和可靠性對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的限制以及MSAP業(yè)務(wù)卡本身的局限性,本文在了解與掌握鏈路聚合(Link Aggregation)原理的基礎(chǔ)上,通過對聚合組中成員端口的配置同步、數(shù)據(jù)流的負載分擔以及動態(tài)備份,實現(xiàn)了MSAP上手工聚合功能,該功能已經(jīng)在本作者所屬單位的MSAP-622設(shè)備上成功運行,功能的實現(xiàn)增加了MSAP-622設(shè)備的鏈路帶寬,同時鏈路動態(tài)備份提高了鏈路可靠性,達到測試標準,可滿足用戶需求。

    [1]李永成,喬廬峰.多業(yè)務(wù)接入平臺(MSAP)的技術(shù)特點及實現(xiàn)[J].電視技術(shù),2009,33(S1):103-105.

    [2]徐蓓,肖萍萍.QinQ在MSAP中的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電視技術(shù),2012,36(9):78-79.

    [3]劉寶慶,黃華,夏健剛.基于MSAP的邊緣接入網(wǎng)設(shè)計方案研究[J].西華大學學報:自然科學版,2009,28(3):24-25.

    [4]金星亮.基于MSTP鏈路聚合的研究與實現(xiàn)[D].成都:電子科技大學,2011.

    [5]劉立.交換機鏈路聚合的原理與實驗研究[J].信息安全與技術(shù),2010(9):54-56.

    [6]鄭濤.以太網(wǎng)鏈路聚合的研究與實現(xiàn)[D].杭州:杭州電子科技大學,2011.

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