基于城域網(wǎng)與GPON組網(wǎng)的OLT雙上聯(lián)流量均衡研究與應(yīng)用*

廖偉全，喻林峰，李繼龍，江 圣，周圓圓

（中國移動通信集團(tuán)廣東有限公司韶關(guān)分公司，廣東 韶關(guān) 512099）

0 引 言

GPON（Gigabit-Capable PON）主要由 OLT、無源光分配網(wǎng)和ONU組成，是基于ITU-TG.984.x標(biāo)準(zhǔn)的無源光綜合接入標(biāo)準(zhǔn)。GPON具有高帶寬、高效率、大覆蓋范圍、用戶接口豐富等眾多優(yōu)點(diǎn)，促成OLT承載更多的功能業(yè)務(wù)[1]。GPON采用單纖雙向傳輸機(jī)制，在同一根光纖上使用WDM技術(shù)，用不同波長傳輸上下行數(shù)據(jù)，其中下行數(shù)據(jù)流采用廣播技術(shù)，上行數(shù)據(jù)流采用TDMA技術(shù)。

城域網(wǎng)一般由核心層、匯聚層和接入層構(gòu)成。以廣東某運(yùn)營商為例（如圖1所示），城域網(wǎng)設(shè)備主要有CR、BNG、SR和SW等，GPON以FTTx形式出現(xiàn)，并主要承載運(yùn)營商的家寬、專線和IPTV等業(yè)務(wù)。為實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)保護(hù)，OLT雙上聯(lián)城域網(wǎng)被運(yùn)營商列入備選建設(shè)拓?fù)鋄2]。因各種業(yè)務(wù)雙路由承載協(xié)議不同，對OLT雙上聯(lián)鏈路有效利用提出了挑戰(zhàn)。當(dāng)雙上聯(lián)鏈路出現(xiàn)不均衡時，將影響鏈路數(shù)據(jù)包時延，嚴(yán)重時將影響用戶感知。因此，需要對OLT雙上聯(lián)鏈路均衡方案進(jìn)行研究和分析應(yīng)用。

圖1 某運(yùn)營商城域網(wǎng)與GPON拓樸

1 OLT主要業(yè)務(wù)雙上聯(lián)承載情況

1.1 互聯(lián)網(wǎng)專線雙上聯(lián)保護(hù)及承載介紹

城域網(wǎng)與GPON組網(wǎng)中，互聯(lián)網(wǎng)專線業(yè)務(wù)流為PC-ONU-OLT-SW/BNG，專線客戶均是公網(wǎng)地址接入。接入方式分為雙上聯(lián)城域網(wǎng)SW場景和雙上聯(lián)BNG場景。在OLT直聯(lián)BNG場景中，通過VRRP+BFD進(jìn)行OLT雙上聯(lián)保護(hù)，可提高主鏈路中斷時鏈路切換到備用鏈路的速度和可靠性[3]；而在OLT雙上聯(lián)SW場景中，雙上聯(lián)保護(hù)通過在SR/BNG與OLT之間配置單臂BFD+VRRP協(xié)議來實(shí)現(xiàn)主備保護(hù)。當(dāng)OLT到SR之間多段鏈路中斷后，業(yè)務(wù)切換到另一條鏈路[4]。如圖1所示，當(dāng)OLT01-SW01-SR01之間出現(xiàn)斷點(diǎn)，會觸發(fā)BFD協(xié)議down，從而使SR01下聯(lián)端口down，引發(fā)VRRP倒換，業(yè)務(wù)切換到OLT01-SW02-SR02鏈路承載。上述保護(hù)中，專線業(yè)務(wù)在某一時刻只能使用主鏈路承載業(yè)務(wù)，備用鏈路是空閑，但也可以通過平均分配VRRP網(wǎng)關(guān)到兩臺BNG/SR來基本實(shí)現(xiàn)雙路由負(fù)載分擔(dān)[5]。

1.2 PPPoE雙上聯(lián)保護(hù)及承載介紹

城域網(wǎng)與GPON承載的寬帶接入業(yè)務(wù)ADSL主要采用PPPoE協(xié)議進(jìn)行認(rèn)證上線。PPPoE協(xié)議認(rèn)證的工作流程包含發(fā)現(xiàn)和會話兩個階段，如圖2所示。

圖2 PPPOE客戶端認(rèn)證流程

1.2.1 發(fā)現(xiàn)階段

（1）客戶端在本以太網(wǎng)內(nèi)廣播一個PADI包，包中包含主機(jī)想要得到的服務(wù)類型信息；

（2）以太網(wǎng)內(nèi)的所有BRAS/BNG設(shè)備（PPPoE接入服務(wù)器）在收到初始化包后，將其中請求的服務(wù)與自己能提供的服務(wù)進(jìn)行比較，其中可以為此主機(jī)提供此服務(wù)的寬帶遠(yuǎn)程接入服務(wù)器發(fā)回PADO包；

（3）客戶端可能收到多個BRAS/BNG的PADO包，主機(jī)通過PADO的內(nèi)容，依據(jù)一定的條件從發(fā)回PADO包的可提供服務(wù)的BRAS/BNG中挑選一個（一般選擇最先到達(dá)），并向它發(fā)回一個會話請求包PADR（非廣播），這個包中再次包含所想得到的服務(wù)信息；

（4）被選定的BRAS/BNG收到會話請求包PADR后，開始準(zhǔn)備進(jìn)入PPP會話階段。它會產(chǎn)生一個會話標(biāo)識，以唯一標(biāo)識它和主機(jī)的這段PPPOE會話，并把這個特定的會話標(biāo)識包含在會話確認(rèn)包PADS中發(fā)回給主機(jī)。如果沒有錯誤發(fā)生，就進(jìn)入到PPP會話階段。而主機(jī)在收到會話確認(rèn)包后，如果沒有錯誤發(fā)生，也進(jìn)入到PPP會話階段。

1.2.2 會話階段

會話階段和數(shù)據(jù)傳送階段與PPP協(xié)議相同。主要是BRAS/BNG將客戶的帳號、密碼、VLAN/邏輯接口信息傳遞給AAA服務(wù)器進(jìn)行認(rèn)證，通過認(rèn)證后，BRAS分配地址給客戶，然后就可進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

現(xiàn)有通過實(shí)時監(jiān)測OLT下聯(lián)口鏈路質(zhì)量和流量，然后用貪婪算法周期性調(diào)整OLT下聯(lián)口帶寬占用量，以進(jìn)行流量均衡[6]，但對OLT雙上聯(lián)均衡卻停留在基于MAC奇偶地址的負(fù)載均衡。當(dāng)OLT雙上聯(lián)兩臺BRAS/BNG時，PPPoE協(xié)議在發(fā)現(xiàn)階段會選擇最先到達(dá)的PADO包進(jìn)行下步認(rèn)證通信。通過在BRAS01/BNG01子接口上對偶MAC地址客戶配置接入延時（如延時100 ms），而在BRAS02/BNG02子接口上對奇MAC地址客戶配置接入延時（如延時100 ms）。上述設(shè)定將使BRAS01/BNG01的PADO包先于BRAS02/BNG02到達(dá)奇MAC地址客戶，并使奇MAC地址客戶選擇BRAS01/BNG01進(jìn)行后續(xù)的認(rèn)證和通信，即選擇路由OLT到BRAS01/BNG01承載數(shù)據(jù)流量。反之亦然，偶MAC地址客戶選擇路由OLT到BRAS02/BNG02承載數(shù)據(jù)流量。上述在BRAS/BNG配置奇偶接入時延，將使奇偶MAC用戶數(shù)據(jù)在OLT雙上聯(lián)鏈路進(jìn)行負(fù)載分擔(dān)。

1.3 IPTV業(yè)務(wù)雙上聯(lián)保護(hù)及承載介紹

IPTV業(yè)務(wù)一般包含點(diǎn)播和直播業(yè)務(wù)。點(diǎn)播和直播實(shí)現(xiàn)協(xié)議有所區(qū)別。點(diǎn)播仍使用單播路由協(xié)議，而直播使用組播路由協(xié)議。

1.3.1 點(diǎn)播雙上聯(lián)保護(hù)與承載介紹

視頻點(diǎn)播有多種認(rèn)證方式。為便于控制，現(xiàn)在運(yùn)營商一般采用DHCP開機(jī)認(rèn)證接入[7]。廣東某運(yùn)營商點(diǎn)播客戶端認(rèn)證流程如圖3所示。

圖3 點(diǎn)播業(yè)務(wù)認(rèn)證流程

（1）用戶開機(jī)，發(fā)出DHCP Request。

（2）BRAS設(shè)備收到DHCP Request先緩存下來，將用戶的VLAN、邏輯端口等信息向Radius Server上報。

（3）Radius Server根據(jù)BRAS設(shè)備送來的邏輯端口、用戶名、密碼進(jìn)行認(rèn)證，并將認(rèn)證結(jié)果返回給BRAS設(shè)備。

（4）如果認(rèn)證通過，BRAS完成DHCP Relay功能，并中轉(zhuǎn)用戶發(fā)出的DHCP Request。

（5）DHCP Server下發(fā)IP地址給用戶。

（6）用戶獲取地址后，客戶可正常使IPTV平臺進(jìn)行點(diǎn)播。

通過在BRAS01/BNG01子接口上對偶MAC地址客戶配置接入延時（如延時100 ms），而在BRAS02/BNG02子接口上對奇MAC地址客戶配置接入延時（如延時100 ms）。上述設(shè)定將使BRAS01/BNG01分配的地址先于BRAS02/BNG02到達(dá)奇MAC地址客戶，并使奇MAC地址客戶選擇BRAS01/BNG01分配的地址進(jìn)行后續(xù)通信，即選擇路由OLT到BRAS01/BNG01承載數(shù)據(jù)流量。反之，亦然，偶MAC地址客戶選擇路由OLT到BRAS02/BNG02承載數(shù)據(jù)流量。通過上述配置，將使奇偶MAC點(diǎn)播用戶在OLT雙上聯(lián)鏈路進(jìn)行基于奇偶MAC地址的負(fù)載分擔(dān)。

1.3.2 直播雙上聯(lián)保護(hù)與承載介紹

PIM是Protocol Independent Multicast（協(xié)議無關(guān)組播）的簡稱，可利用單播路由協(xié)議生成的單播路由表為IP組播提供路由。組播路由與所采用的單播路由協(xié)議無關(guān)，只要能夠通過單播路由協(xié)議產(chǎn)生相應(yīng)的組播路由表項(xiàng)即可。PIM借助RPF（Reverse PathForwarding，逆向路徑轉(zhuǎn)發(fā)）機(jī)制實(shí)現(xiàn)對組播報文的轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)組播報文到達(dá)本地設(shè)備時，首先對其進(jìn)行RPF檢查。若RPF檢查通過，則創(chuàng)建相應(yīng)的組播路由表項(xiàng)，從而進(jìn)行組播報文的轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)OLT雙上聯(lián)BNG時，將根據(jù)BNG組播子接口的PIM優(yōu)先級選舉一臺BNG復(fù)制組播流量到OLT。當(dāng)一條鏈路故障時，自動切換到另一路由。而在OLT01-SW01-BRAS01場景中，OLT只能邏輯上單上聯(lián)一臺SW01。當(dāng)主鏈路有問題時，采用手工切換方式將鏈路切換到另一條OLT01-SW02-BRAS02路由。因此，直播只能占用一邊鏈路傳輸數(shù)據(jù)包。

2 OLT雙上聯(lián)流量均衡分析和應(yīng)用

2.1 OLT雙上聯(lián)流量均衡分析

經(jīng)統(tǒng)計某運(yùn)營商城域網(wǎng)流量情況，網(wǎng)絡(luò)忙時超過90%流量是家寬、點(diǎn)播和直播業(yè)務(wù)。此三種業(yè)務(wù)導(dǎo)致OLT雙上聯(lián)流量不均因素有：

（1）直播業(yè)務(wù)只能走OLT單邊鏈路；

（2）不同用戶對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)流量存在差異；

（3）OLT承載的PPPoE和IPoE用戶MAC奇偶數(shù)比值不對稱（可達(dá)到1:2及以上），使兩臺BRAS/BNG接入用戶數(shù)量和流量不對稱。

針對第三點(diǎn)，廣東揭陽某運(yùn)營商提出優(yōu)化方案（下面簡稱揭陽方案），分別在配對的兩臺BRAS/BNG中，給OLT的每個外層VLAN配置2個子接口。利用這兩個子接口按100為步進(jìn)基數(shù)，間隔地設(shè)置1 000～2 999的內(nèi)層VLAN，在兩個子接口中分別配置互為交叉的奇偶響應(yīng)延時策略，盡可能控制用戶使其平均分布到配對BRAS/BNG，使得配對BRAS流量盡可能均衡。此方案需要配置大量數(shù)據(jù)，因此限制了推廣。

經(jīng)過對主要業(yè)務(wù)負(fù)載均衡分析，現(xiàn)匯總OLT主要承載的家寬、專線和電視業(yè)務(wù)對OLT雙上聯(lián)鏈路承載情況表，如表1所示。

表1 OLT雙上聯(lián)鏈路承載業(yè)務(wù)情況

2.2 OLT雙上聯(lián)動態(tài)流量均衡方案

經(jīng)統(tǒng)計某運(yùn)營商流量情況，網(wǎng)絡(luò)的流量忙時為晚上7點(diǎn)到10點(diǎn)?？紤]到晚忙時超90%流量是家寬和IPTV業(yè)務(wù)，本文提出一種實(shí)時提取OLT雙上聯(lián)BRAS鏈路利用率，并計算兩條鏈路利用率的絕對值。當(dāng)絕對值超過10%時，通過實(shí)時抑制BRAS/BNG下聯(lián)OLT的PPPoE與IPoE用戶數(shù)來實(shí)現(xiàn)OLT雙上聯(lián)動態(tài)流量均衡的方案。

主要實(shí)施流程為：

（1）使用一臺操作系統(tǒng)為CentOS的服務(wù)器搭建LNMP環(huán)境（Linux系統(tǒng)下Nginx+MySQL+PHP網(wǎng)站服務(wù)器架構(gòu)），同時安裝開源zabbix系統(tǒng)。服務(wù)器與城域網(wǎng)設(shè)備通過內(nèi)網(wǎng)對接，zabbix系統(tǒng)使用SNMP協(xié)議實(shí)時采集OLT雙上聯(lián)流量和鏈路利用率，并保存到mysql數(shù)據(jù)庫。

（2）OLT動態(tài)流量均衡系統(tǒng)監(jiān)控程序?qū)崟r計算OLT雙上聯(lián)兩臺BRAS鏈路利用率的絕對值，同時計算兩條鏈路利用率的平均值，取平均值加上5%為高閾值，取平均值減去5%為低閾值。當(dāng)絕對值連續(xù)9 min（為避免頻繁調(diào)整，所以設(shè)定9 min穩(wěn)定時間）超過10%且上聯(lián)鏈路利用率超過45%（考慮鏈路利用率低于45%時屬于輕載不調(diào)整）時，調(diào)用均衡程序。

（3）OLT動態(tài)流量均衡系統(tǒng)均衡程序。對鏈路利用率高的鏈路的BRAS接口，增加PPPoE和IPoE用戶認(rèn)證接入時延，使新增用戶均優(yōu)先從輕載鏈路上線，從而減少兩條鏈路流量的差值。

（4）OLT動態(tài)流量均衡系統(tǒng)監(jiān)控程序發(fā)現(xiàn)連續(xù)9 min內(nèi)原重載鏈路利用率比低閾值小，則恢復(fù)PPPoE與IPoE用戶的接入時延。

2.3 OLT雙上聯(lián)鏈路流量均衡測試比較

為驗(yàn)證OLT雙上聯(lián)動態(tài)流量均衡方案有效性，下面對廣東某運(yùn)營商二臺典型的OLT在晚上7點(diǎn)到10點(diǎn)時間段的均衡性能進(jìn)行測試。

OLT02雙上聯(lián)BNG，兩邊帶寬分別為1 GE，現(xiàn)比較現(xiàn)狀均衡方案和動態(tài)流量均衡方案效果。從圖4可看到，基于奇偶MAC地址均衡的現(xiàn)雙上聯(lián)鏈路利用率相差較大，而用動態(tài)流量均衡方案的雙上聯(lián)鏈路利用率比較接近。圖5展示了兩種方案雙上聯(lián)鏈路利用率絕對值的曲線，可看出新方案的絕對值均小于現(xiàn)方案。另外，現(xiàn)方案絕對值的平均值達(dá)到了42.1%，而新動態(tài)均衡方案鏈路利用率絕對值的平均值為5.06%，效果明顯。

圖4 OLT02兩種均衡方案的鏈路利用率

圖5 OLT02采用兩均衡方案鏈路利用率絕對值比較

OLT01雙上聯(lián)SW，兩邊帶寬為2 GE，現(xiàn)比較揭陽方案（針對家寬和點(diǎn)播）和動態(tài)流量均衡方案效果。從圖6可看到，揭陽方案雙上聯(lián)鏈路利用率相差較大，而動態(tài)流量均衡方案的雙上聯(lián)鏈路利用率較接近。圖7展示了兩種方案雙上聯(lián)鏈路利用率絕對值的曲線?？梢钥闯?，動態(tài)均衡方案的絕對值基本小于揭陽方案。另外，動態(tài)均衡方案鏈路利用率絕對值的平均為5.27%，而提陽方案鏈路利用率絕對值的平均值達(dá)到了14.35%，均衡效果明顯。

圖6 OLT01兩種均衡方案的鏈路利用率

圖7 OLT01采用兩均衡方案鏈路利用率絕對值比較

3 結(jié) 語

OLT雙上聯(lián)是保障OLT流量安全的一種保護(hù)措施。為有效利用雙上聯(lián)鏈路，通過部署OLT雙上聯(lián)動態(tài)流量均衡方案，可有效應(yīng)對家寬和電視等業(yè)務(wù)引起的流量不平衡。使用少數(shù)服務(wù)器部署開源軟件，可實(shí)時采集流量數(shù)據(jù)并進(jìn)行流量均衡，成本低。OLT雙上聯(lián)在大部分地市有部署，可復(fù)制性高；現(xiàn)均衡方案在鏈路不均衡時，只能采用手工方式進(jìn)行均衡，效率低。綜合考慮成本、效率、復(fù)制性，認(rèn)為OLT雙上聯(lián)動態(tài)流量均衡方案存在推廣應(yīng)用價值。