基于IRF的城域網(wǎng)接入設(shè)備端口擴(kuò)容方案*

金 豪

（上海市信息網(wǎng)絡(luò)有限公司，上海 200081）

0 引 言

隨著信息化建設(shè)在中國各大城市的不斷推進(jìn)和發(fā)展，各企業(yè)的發(fā)展對運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)連接的需求越來越大[1]，對網(wǎng)絡(luò)可靠性的要求也愈來愈高。在運(yùn)營商城域網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展過程中，經(jīng)常會(huì)面對部分地區(qū)設(shè)備資源緊張無法滿足新用戶接入需求的窘境[2]。為了解決該問題，目前運(yùn)營商常通過網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容、增加節(jié)點(diǎn)以及增加中繼等方法來滿足客戶的需求。但是，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，新增加節(jié)點(diǎn)可能會(huì)面臨原有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)遭到破壞、路由震蕩等風(fēng)險(xiǎn)，存在一定的安全隱患。目前，也有很多運(yùn)營商城域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是在接入層采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的方案[3]。當(dāng)接入層端口資源不夠的情況下，通過新增環(huán)網(wǎng)可解決該問題。目前，中國電信上海公司的CE網(wǎng)就是采用的該項(xiàng)方案。由于每個(gè)環(huán)網(wǎng)相互獨(dú)立，彼此不會(huì)相互干擾，所以能滿足目前端口擴(kuò)容的需求。但是，新增接入層環(huán)網(wǎng)也有諸多弊端：不僅會(huì)增加匯聚節(jié)點(diǎn)的壓力，環(huán)網(wǎng)的整體布局有時(shí)也會(huì)造成不必要的資源浪費(fèi)。因此，希望能針對單臺(tái)設(shè)備端口資源耗盡的情況對其端口進(jìn)行擴(kuò)容。

本文提出基于IRF的城域網(wǎng)接入設(shè)備端口擴(kuò)容方案，在不影響原有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的情況下，針對單臺(tái)設(shè)備端口資源緊張的情況，對其添加一臺(tái)相同的設(shè)備，將兩臺(tái)設(shè)備虛擬成一臺(tái)設(shè)備，以達(dá)到增加端口的目的。

1 IRF運(yùn)行機(jī)制及應(yīng)用

智能彈性架構(gòu)（Intelligent Resilient Framework，IRF）是一種虛擬化的堆疊技術(shù)，可以將兩臺(tái)或多臺(tái)實(shí)際物理設(shè)備虛擬化為一臺(tái)邏輯設(shè)備供用戶使 用[4]。堆疊而成的IRF系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)中作為單個(gè)節(jié)點(diǎn)來管理，用戶可以通過本地或遠(yuǎn)程登錄IRF系統(tǒng)，對系統(tǒng)中所有實(shí)體設(shè)備進(jìn)行操作和管理。每臺(tái)設(shè)備可以看做是整個(gè)系統(tǒng)的一塊接口卡板。所有設(shè)備的配置文件保持同步。

圖1為一個(gè)由兩臺(tái)物理設(shè)備組成的IRF系統(tǒng)。兩臺(tái)設(shè)備通過IRF鏈路連接，并通過IRF端口轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議報(bào)文，用以保持IRF系統(tǒng)穩(wěn)定。在IRF系統(tǒng)中，有且只有一臺(tái)設(shè)備為Master設(shè)備，其余設(shè)備均為Slave設(shè)備[5]。IRF形成的虛擬設(shè)備采用1:N冗余，其中Master設(shè)備控制整個(gè)虛擬系統(tǒng)的運(yùn)行，承擔(dān)著整個(gè)系統(tǒng)的控制卡板的作用。當(dāng)然，Master設(shè)備也同樣負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。Slave設(shè)備除了負(fù)責(zé)接收和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，還需作為Master的備份。一旦Master設(shè)備出現(xiàn)故障，IRF系統(tǒng)將重新選擇一臺(tái)設(shè)備作為系統(tǒng)的Master設(shè)備，以保持系統(tǒng)的正常工作。在IRF系統(tǒng)中，所有設(shè)備會(huì)保持相同的配置文件，因此新的Master設(shè)備可以在最短時(shí)間內(nèi)完成主備切換，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，在虛擬系統(tǒng)內(nèi)部，各物理設(shè)備間通過IRF端口互聯(lián)用以交互協(xié)議報(bào)文，IRF端口則采用聚合方式將多條鏈路進(jìn)行聚合，不但可以實(shí)現(xiàn)IRF端口的冗余保護(hù)，也能將數(shù)據(jù)流量進(jìn)行負(fù)載分擔(dān)，以進(jìn)一步提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖1 上海電信CE網(wǎng)絡(luò)

在設(shè)備管理方面，增加一臺(tái)設(shè)備并不會(huì)增加網(wǎng)管的管理工作量，只需在新設(shè)備入網(wǎng)時(shí)進(jìn)行相關(guān)配置。一旦IRF系統(tǒng)形成后，用戶即可將整個(gè)系統(tǒng)視為一臺(tái)物理設(shè)備進(jìn)行管理。無論是本地管理還是遠(yuǎn)程登錄至任意一臺(tái)物理設(shè)備，都可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備的統(tǒng)一操作管理。雖然物理設(shè)備的數(shù)量增加了，但是需要管理的設(shè)備數(shù)量并沒有增加，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和節(jié)點(diǎn)數(shù)量也并沒有增加。因此，網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃過程、建設(shè)過程、維護(hù)過程都將大大簡化，以有效節(jié)省管理成本。同時(shí)，IRF系統(tǒng)由多臺(tái)設(shè)備組合而成，因此理論上整個(gè)系統(tǒng)的交換容量和端口數(shù)量即為系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備的總和?？梢姡\(yùn)用IRF技術(shù)可以在不擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的情況下，大幅增加網(wǎng)絡(luò)的性能。

目前，IRF技術(shù)常用于網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備或重要的匯聚設(shè)備。在網(wǎng)絡(luò)初期建設(shè)時(shí)，可將兩臺(tái)或多臺(tái)設(shè)備堆疊成一臺(tái)虛擬主機(jī)作為核心層交換機(jī)。通過堆疊而形成的虛擬設(shè)備，不僅提高了性能，更增強(qiáng)了設(shè)備的可靠性。

2 通過IRF技術(shù)實(shí)現(xiàn)端口擴(kuò)容

目前，典型運(yùn)營商的城域網(wǎng)多采用核心層、匯聚層和接入層的網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)[6]。在接入層，常采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)被證明是安全且高效的。圖2是中國電信在某大城市所建設(shè)的CE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

如圖2所示，環(huán)狀的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提供接入層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備至匯聚層的雙鏈路上聯(lián)，保證了網(wǎng)絡(luò)的冗余 性[7]。但是，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使同一個(gè)環(huán)上的所有設(shè)備彼此關(guān)聯(lián)，一旦環(huán)路狀態(tài)發(fā)生變化，會(huì)影響整個(gè)環(huán)網(wǎng)的設(shè)備，對網(wǎng)絡(luò)拓展造成了一定影響。在這樣的狀態(tài)下若要對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)容，通常是通過在匯聚節(jié)點(diǎn)下增加新的接入環(huán)網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容。但是，增加新的環(huán)網(wǎng)存在一系列問題。首先，新增環(huán)網(wǎng)會(huì)消耗上聯(lián)匯聚設(shè)備的端口資源。其次，增加一個(gè)環(huán)網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致全網(wǎng)的路由需重新收斂。最重要的問題是每臺(tái)環(huán)網(wǎng)上設(shè)備的端口利用率并不均勻，因?yàn)閭€(gè)別設(shè)備端口耗盡而增加一個(gè)新的環(huán)網(wǎng)，對設(shè)備資源和中繼光纖資源也是一種浪費(fèi)。

圖2 CE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

運(yùn)營商城域網(wǎng)經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)營，網(wǎng)絡(luò)上的負(fù)載勢必存在不均衡情況，尤其是一些大型城市，在一些商業(yè)中心、科創(chuàng)園區(qū)，網(wǎng)絡(luò)資源必定會(huì)消耗得更快，而在其他地區(qū)網(wǎng)絡(luò)資源則相對較充裕。在這種情況下，運(yùn)營商更希望能針對單臺(tái)設(shè)備如增加一塊接口卡板對設(shè)備端口進(jìn)行擴(kuò)容，而IRF技術(shù)能滿足該需求。

如圖3所示，當(dāng)機(jī)房A內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備端口資源耗盡時(shí)，運(yùn)營商只需在該機(jī)房內(nèi)新安裝一臺(tái)相同的設(shè)備。通過中繼光纖與原設(shè)備互聯(lián)，兩臺(tái)設(shè)備均需配置成IRF模式，互聯(lián)端口為IRF端口，互相交互設(shè)備狀態(tài)信息。

圖3 通過IRF對節(jié)點(diǎn)端口擴(kuò)容

當(dāng)IRF系統(tǒng)形成后，兩臺(tái)設(shè)備將在邏輯上虛擬成一臺(tái)設(shè)備，通過同一個(gè)IP地址管理兩臺(tái)設(shè)備，而這兩臺(tái)設(shè)備則相當(dāng)于該IRF系統(tǒng)中的兩塊接口板卡，從而達(dá)到為原設(shè)備增加端口的目的。需要指出的是，將原設(shè)備運(yùn)行模式改為IRF后，設(shè)備需要重啟配置生效。重啟后，兩臺(tái)設(shè)備才能形成虛擬設(shè)備。需要注意，重啟過程會(huì)對設(shè)備上的用戶造成影響。

當(dāng)IRF系統(tǒng)形成后，所有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和保護(hù)方式與之前網(wǎng)絡(luò)并無異處。IRF系統(tǒng)可增加多臺(tái)設(shè)備，IRF系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的數(shù)量根據(jù)不同設(shè)備性能各不相同。運(yùn)用IRF虛擬化技術(shù)，可以在不影響網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，按需為設(shè)備增加端口。理論上，只要中繼鏈路帶寬允許，可以增加多臺(tái)設(shè)備對接入層設(shè)備的端口資源進(jìn)行擴(kuò)容。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證擴(kuò)容方案的可行性，在某個(gè)大型城市的CE網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。網(wǎng)絡(luò)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的測試環(huán)境如圖4所示，是網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)環(huán)網(wǎng)。

圖4 測試環(huán)境

實(shí)驗(yàn)對一個(gè)已形成環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中的一臺(tái)設(shè)備添加一臺(tái)相同設(shè)備，使其成為一臺(tái)虛擬系統(tǒng)。在該過程中通過探針監(jiān)控A、B、C、D四臺(tái)設(shè)備，查看該過程中四臺(tái)設(shè)備上用戶的受影響程度，中斷時(shí)間見表1。

表1 業(yè)務(wù)中斷時(shí)間對比

由表1可見，端口擴(kuò)容的過程只對需要進(jìn)行端口擴(kuò)容的設(shè)備上的用戶產(chǎn)生影響，中斷時(shí)間為該設(shè)備重啟時(shí)間，對網(wǎng)絡(luò)上其他設(shè)備并不會(huì)造成影響。

待IRF系統(tǒng)形成后，對系統(tǒng)內(nèi)兩臺(tái)設(shè)備以及另一臺(tái)環(huán)網(wǎng)中設(shè)備上的用戶進(jìn)行故障測試，查看IRF系統(tǒng)對突發(fā)故障的冗余速度，業(yè)務(wù)中斷時(shí)間見表2。

表2 IRF系統(tǒng)對突發(fā)事故冗余速度

通過實(shí)驗(yàn)可以看出，IRF系統(tǒng)作為一臺(tái)虛擬設(shè)備，和環(huán)網(wǎng)中其他物理設(shè)備對突發(fā)故障的響應(yīng)和處理并無不同，完全可以當(dāng)做一臺(tái)物理設(shè)備看待。

4 結(jié) 語

IRF作為一種虛擬化的堆疊技術(shù)，能很好地應(yīng)用于解決網(wǎng)絡(luò)端口的擴(kuò)容問題，不止于環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在總線型、星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中同樣適用。在運(yùn)營商城域網(wǎng)中運(yùn)用堆疊技術(shù)擴(kuò)容端口，具有節(jié)約資源、操作簡便、對原網(wǎng)絡(luò)影響較小等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于各類運(yùn)營商城域網(wǎng)，尤其對大型或特大型城市城域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)端口擴(kuò)容提供了解決方案。