城域網(wǎng)BRAS備份模式研究

徐海英

【摘要】 通過對BRAS設(shè)備進(jìn)行熱備份，提高城域網(wǎng)的安全可靠性，提升用戶感知，為運(yùn)營商更好開展全業(yè)務(wù)運(yùn)營提供強(qiáng)有力支撐；結(jié)合VBRAS發(fā)展趨勢，進(jìn)一步提升對城域網(wǎng)運(yùn)營的精細(xì)化管控與調(diào)度，降低運(yùn)營成本，增加運(yùn)營商收益。

【關(guān)鍵詞】 BRAS VRRP 熱備份 VBRAS SDN

一、背景

未來的網(wǎng)絡(luò)是面向IP承載的融合網(wǎng)絡(luò)，是全業(yè)務(wù)承載網(wǎng)絡(luò)，相比普通的網(wǎng)頁瀏覽.數(shù)據(jù)共享而言，IPTV.NGN語音.網(wǎng)絡(luò)游戲.網(wǎng)上理財?shù)葮I(yè)務(wù)對故障更為敏感，即使短暫的網(wǎng)絡(luò)中斷也可能會給用戶造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至導(dǎo)致運(yùn)營商客戶的流失。如何通過提高業(yè)務(wù)的可靠性來提升用戶體驗，已成為各運(yùn)營商在激烈市場角逐中，提升競爭力的關(guān)鍵因素。BRAS設(shè)備作為城域網(wǎng)的業(yè)務(wù)控制節(jié)點，向上接入城域核心實現(xiàn)三層路由功能，向下匯接接入網(wǎng)，實現(xiàn)用戶接入控制，一旦發(fā)生故障，將導(dǎo)致家庭客戶無法上網(wǎng).企業(yè)客戶業(yè)務(wù)中斷，極易導(dǎo)致用戶投訴，給運(yùn)營商帶來業(yè)務(wù)拓展障礙。因此，單純依靠BRAS設(shè)備關(guān)鍵器件的冗余.鏈路層的備份已無法滿足用戶對業(yè)務(wù)不中斷的要求，迫切需要提供Session級保護(hù)，提升用戶上網(wǎng)體驗，甚至掉線無感知的高可靠性方案。

二、備份場景及備份方式

2.1備份場景

備份按場景不同可分為設(shè)備內(nèi)備份和設(shè)備間備份兩種。設(shè)備內(nèi)備份指同一設(shè)備內(nèi)不同端口間互相備份，是端口級備份，可分為同板卡端口間備份和不同板卡端口間備份；設(shè)備間備份指不同設(shè)備之間互相備份，是設(shè)備級備份，不同設(shè)備可同局址.也可跨局址部署。

2.2備份方式

業(yè)務(wù)可靠性備份方式分為冷備和熱備兩種，其主要差別是：冷備方式下，發(fā)生故障用戶斷線后，終端需重新發(fā)起與BRAS設(shè)備的連接請求。熱備方式下，在主備設(shè)備間實時同步用戶信息，主備切換時用戶無需重新發(fā)起連接請求，用戶對故障無感知。本文介紹的備份技術(shù)是解決業(yè)務(wù)級可靠性所提出的熱備份解決方案。

三、關(guān)鍵技術(shù)

BRAS熱備份的關(guān)鍵技術(shù)主要包括主備控制.用戶信息同步控制.用戶流量控制.精綁定的解決方案和共享地址池的管理幾個部分。

3.1主備控制

主備選舉方式有延時響應(yīng).VRRP.交換機(jī)端口智能切換三種。

（1）延時響應(yīng)。通過控制設(shè)備對用戶接入請求的延遲策略和響應(yīng)時間，使客戶端接入到指定的接入服務(wù)器，從而實現(xiàn)主備的選舉。該方式的優(yōu)點是實現(xiàn)簡單，且不同廠家設(shè)備間可以實現(xiàn)互通。缺點是無法實現(xiàn)對IP Host靜態(tài)用戶的網(wǎng)關(guān)主備選舉。

（2）VRRP。兩臺設(shè)備通過標(biāo)準(zhǔn)的VRRP協(xié)議控制主備：在同一個物理接口下配置一個三層子接口和多個BRAS子接口，三層子接口上運(yùn)行VRRP協(xié)議，根據(jù)三層子接口的狀態(tài)確定BRAS子接口的狀態(tài)。兩臺設(shè)備用戶網(wǎng)關(guān)的MAC地址采用虛擬的MAC地址，即VRRP組的虛擬MAC地址。當(dāng)鏈路出現(xiàn)故障時，通過VRRP 協(xié)議重新協(xié)商設(shè)備間主備關(guān)系需要3秒，不滿足電信級要求。配合BFD可在50毫秒內(nèi)感知鏈路故障，快速進(jìn)行主備切換。

（3）交換機(jī)端口智能切換。BRAS不做特殊配置，交換機(jī)通過上行鏈路的狀態(tài)控制用戶從哪臺設(shè)備接入。交換機(jī)將兩個上聯(lián)口捆綁在一個智能組中，當(dāng)鏈路發(fā)生故障時，交換機(jī)自動打開原來down的端口。由于熱備時用戶的IP地址不改變，設(shè)備的網(wǎng)關(guān)地址必須相同，且必須通告相同的虛擬MAC地址，只能由VRRP技術(shù)實現(xiàn)，所以熱備只能采用VRRP進(jìn)行主備選舉。

3.2用戶信息同步控制

主備設(shè)備間用戶業(yè)務(wù)信息同步是熱備份的關(guān)鍵技術(shù)，目前沒有標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，各廠家采用的均是自己私有協(xié)議。實際部署時，需保證主備設(shè)備配置的一致性，如相同的IP 地址池.VLAN.QoS 參數(shù)等。動態(tài)協(xié)商用戶專有屬性需通過各廠家私有協(xié)議進(jìn)行同步。

3.3用戶流量控制

在熱備份情況下，由于主備BRAS必須配置相同的地址池，發(fā)布相同網(wǎng)關(guān)路由，BRAS需要對用戶流量進(jìn)行有效的控制。

3.3.1上行流量控制

主備備份組共享相同網(wǎng)關(guān)，對用戶通告的網(wǎng)關(guān)MAC地址是VRRP組的虛擬MAC地址，當(dāng)主BRAS或主鏈路發(fā)生故障時，備BRAS變?yōu)橹?，向下發(fā)送免費(fèi)ARP報文，刷新下行交換機(jī)的MAC轉(zhuǎn)發(fā)表，用戶上行流量切到備用BRAS轉(zhuǎn)發(fā)。

3.3.2下行流量控制

若主BRAS發(fā)生設(shè)備級故障，CR路由重新收斂，下行流量會整體切到備設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)。若鏈路或端口發(fā)生異常，僅部分備份組發(fā)生主備切換，情況比較復(fù)雜。為保障主備切換后下行流量正確到達(dá)用戶，需對路由進(jìn)行控制。下行流量的牽引存在四種方案：通告地址池路由、通告主機(jī)路由、隧道技術(shù)、直連重定向。

通告地址池路由。BRAS下行基于物理接口劃分備份組，且每個備份組獨占一個地址池。起初，BRAS-1為主設(shè)備，發(fā)布地址池路由，BRAS-2為備設(shè)備，不發(fā)布任何路由；當(dāng)主備切換時，BRAS-1撤銷此地址池路由，BRAS-2通告地址池路由給CR，實現(xiàn)下行流量的牽引。當(dāng)主備關(guān)系恢復(fù)初始狀態(tài)，路由.流量也隨之恢復(fù)。此方式配置簡單，但局限性較大；當(dāng)多個備份組共享一個地址池的時候，無法有效控制下行流量，每備份組獨享地址池又會造成地址浪費(fèi)。

通告用戶主機(jī)路由。起初，BRAS-1為主設(shè)備，BRAS-2為備設(shè)備；主備BRAS上分別配置主從狀態(tài)的地址池，僅由主用狀態(tài)的地址池會發(fā)布網(wǎng)關(guān)路由以及分配地址。在主備切換前，CR至用戶的流量從BRAS-1下來；主備切換后，BRAS-1不撤銷地址池路由，而切到BRAS-2上的用戶則發(fā)布主機(jī)路由給CR，CR根據(jù)掩碼最長匹配規(guī)則，將該部分用戶流量從BRAS-2下發(fā)。當(dāng)故障恢復(fù)后，BRAS-2撤銷主機(jī)路由，流量將正常的從主用BRAS-1轉(zhuǎn)發(fā)給用戶。此方式對場景支持較全面，地址池利用率高且配置也較容易，但發(fā)布主機(jī)路由對CR路由器有一定的沖擊，對CR路由表容量要求高，不適用于大量用戶同時切換。

隧道技術(shù)。主備BRAS分別配置主從狀態(tài)的地址池，CR將所有流量發(fā)送到主設(shè)備BRAS-1，主備BRAS間建立隧道。當(dāng)BRAS-1下行鏈路故障引發(fā)主備切換時，CR到用戶的流量仍然發(fā)往BRAS-1，但此時BRAS-1為備用狀態(tài)，不會將流量直接轉(zhuǎn)發(fā)給用戶，而是將相關(guān)用戶流量通過隧道發(fā)送到BRAS-2處理。當(dāng)BRAS-1發(fā)生設(shè)備故障引發(fā)主備切換時，CR上高優(yōu)先級的路由隨著BRAS-1故障將會撤銷，而采用BRAS-2發(fā)布的路由，流量將從BRAS-2到用戶。當(dāng)鏈路或者主用BRAS恢復(fù)時，主備BRAS上用戶狀態(tài)恢復(fù)到故障前狀態(tài)，流量將正常的從主用BRAS轉(zhuǎn)發(fā)到用戶。隧道技術(shù)切換速度達(dá)到毫秒級，且對CR路由器的路由表沒有沖擊，但隧道的建立需要占用上行鏈路的帶寬。

直連重定向。對用戶下行流量的牽引與隧道技術(shù)類似，只是在主備BRAS之間部署直連線，主備切換后，用戶下行流量通過直連線發(fā)到備用BRAS。此種方式具有和隧道技術(shù)相同的優(yōu)點，但直連線需消耗額外的BRAS端口。

3.4精綁定的解決方案

兩臺BRAS發(fā)生主備切換后，用戶上線的物理接入設(shè)備及端口發(fā)生了變化。為避免精綁定情況下BRAS切換后RADIUS認(rèn)證失敗，需主備BRAS給RADIUS上報用戶綁定信息時，統(tǒng)一通告相同的虛擬信息。

3.5共享地址池的管理

當(dāng)設(shè)備間多個備份組共享同一個地址池，其中部分備份組發(fā)生切換時，備份模式會從1：1切換到1+1。為避免用戶分配到相同地址，主備BRAS各從地址池的兩端申請地址的方式。一端配置為正序分配，一端配置為逆序分配。

四、BRAS備份發(fā)展新趨勢

BRAS接入用戶量不斷增加導(dǎo)致BRAS設(shè)備不斷擴(kuò)容，對機(jī)房空間和能源等提出較高要求；且傳統(tǒng)BRAS設(shè)備控制平面性能不足，無法實現(xiàn)資源的統(tǒng)一調(diào)度和分配，無法適應(yīng)云環(huán)境下運(yùn)營商認(rèn)證系統(tǒng)需求發(fā)展，基于此背景VBRAS應(yīng)運(yùn)而生。VBRAS運(yùn)行在標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器的虛擬機(jī)上，提供和物理BRAS相同的功能和體驗，包括認(rèn)證.帶寬限速.VPN及配置管理等。VBRAS演進(jìn)路線大致可以分為如下三個階段：

4.1 BRAS虛擬化

用虛擬化的BRAS設(shè)備替代物理BRAS設(shè)備，負(fù)責(zé)用戶的接入認(rèn)證及業(yè)務(wù)功能，使用SR-IOV網(wǎng)卡提高性能。各VBRAS之間相互獨立，使用QinQ標(biāo)簽標(biāo)識用戶，交換機(jī)根據(jù)QinQ標(biāo)簽進(jìn)行分流，將不同用戶流量引入不同VBRAS。在兩臺VBRAS之間采用智能化技術(shù)進(jìn)行1：1堆疊，可提供業(yè)務(wù)級的熱備和可靠性。

4.2與SDN聯(lián)動實現(xiàn)資源動態(tài)調(diào)整

采用智能控制技術(shù)完成VBRAS自動部署并實現(xiàn)初始配置下發(fā)，通過控制器監(jiān)控VBRAS的狀態(tài)，包括CPU使用率.內(nèi)存使用率.Session連接數(shù)量.接口帶寬等，計算VBRAS資源使用情況并與SDN聯(lián)動，通過SDN控制接入交換機(jī)，實現(xiàn)VBRAS負(fù)載分擔(dān).資源動態(tài)調(diào)整和備份功能。

4.3 VBRAS資源池化

VBRAS資源集中部署形成大POP點資源池，方便資源的動態(tài)調(diào)整與調(diào)度，使用VXLAN技術(shù)解決VLAN標(biāo)簽不足的問題，實現(xiàn)跨多個POP局點甚至整個城域網(wǎng)范圍POP點整合。通過虛擬架構(gòu)控制器配合VXLAN構(gòu)建業(yè)務(wù)鏈（FW. DPI.CDN等），實現(xiàn)業(yè)務(wù)的靈活定制和快速交付，為用戶提供個性化的增值業(yè)務(wù)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]淺談BRAS（ME60）雙機(jī)熱備份實現(xiàn)方案[J]；科技創(chuàng)新與應(yīng)用；2013年第30期

[2]BRAS設(shè)備高可靠性解決方案[Z]；華為技術(shù)有限公司、

[3]寬帶業(yè)務(wù)綜合網(wǎng)關(guān)[BMSG]備份方案[Z]；中興通訊股份有限公司