在TR－101架構下VLAN技術的探討

許夢平，譚欽紅，諶 登，唐媛媛，吳 聰，郭英超

(1.重慶郵電大學信號與信息處理重慶市重點實驗室，重慶 400065;2.上海欣諾通信技術有限公司，上海 201613;3.武漢理工大學信息工程學院，湖北 武漢 430070

TR－101是適用于寬帶接入網絡的系統架構標準，它按照TR－025和TR－059的架構規劃出了一種如何將基于以太網匯聚網絡接入到ATM匯聚網絡的方案，并提出了一種支持TR－058運營需求的以太網拓撲模型。隨著寬帶接入技術的不斷發展和廣泛應用，在接入節點的用戶端口上實現不同業務的劃分已成為接入設備的一個基本功能，而在端口對不同業務的劃分，其中關鍵的技術就是VLAN。

VLAN是為解決以太網的廣播問題和安全性而提出的一種協議，它在以太網幀的基礎上增加了VLAN頭，用VLAN ID把用戶劃分為更小的工作組，限制不同工作組間的用戶互訪，每個工作組就是一個VLAN。并且它是一種將局域網設備從邏輯上劃分為一個個網段，從而實現虛擬工作組的新興數據交換技術[1]。

目前，在VLAN技術中一種重要而又復雜的技術就是基于IEEE 802.1q的tag VLAN。相對于在交換機上讓一個或者多個交換機端口形成一個靜態的VLAN來說，它更具有靈活性。對于tag VLAN，它是通過在以太網幀中添加VLAN標簽來動態決定數據流的流向。下面將進一步探討tag VLAN。

1 基于以太網聚合的網絡架構

在TR－101架構下，基于以太網寬帶網絡的網絡架構[2]如圖1所示。在該架構下，U型接口處的功能與接入協議是完全兼容的，另外在特定的功能下，接入協議允許包含服務等級功能，這將比ATM聚合網絡更具優勢。并且在該情形下，建議在物理端口采用多VLAN布局形式，這樣更能增加數據流傳輸的靈活性。

圖1 基于以太網聚合的網絡架構

2 VLAN體系架構業務模型

TR－101中，VLAN的需求規范是參考IEEE 802.1ad SVLAN模型和標準，并結合xDSL寬帶接入所特有的功能模型來制定的。網絡節點所能支持的VLAN功能對于組網規劃和應用有著巨大的影響，VLAN的規劃和分配情況十分靈活，可能的組網情況也很多。一般典型的組網方式有3種:用戶側多PVC(Permanent Virtual Circuit)多業務組網、用戶側單PVC tagged方式多業務組網和用戶側單PVC untag/priority tag方式多業務組網[2]。

2.1 用戶側多PVC多業務組網

在這種模式下，用戶端設備與接入節點之間通過配置多條VC鏈路實現多業務接入，網絡模型如圖2所示。這里要求用戶端設備具有將不同的業務流映射到不同的PVC的能力。在這種情形下，業務流通常以untag方式發送，從而接入節點可以使用用戶側邏輯PVC端口來進行VLAN映射，并打上不同的優先級標簽。

圖2 多PVC多業務組網

當多PVC僅僅用來傳輸帶標簽的IEEE 802.1q CoS(Class of Service)時，在同一個接入點可能存在多條PVC映射到同一個網絡VLAN的情形。這種情形下，下行方向的幀在節點轉發時，將不能僅僅依賴VLAN標簽或者MAC(Media Access Control)轉發表，而且還要使用接收幀中的 VLAN P－bit。

2.2 用戶側單PVC untag/priority tag方式多業務組網

這種情形下，在接入節點與用戶端設備之間的數據流將采用untag/priority tag方式傳送。若接入協議是基于ATM(Asynchronous Transfer Mode)的，則一條單ATM PVC將建立，并且通常在每一個用戶端口存在相等的VPI/VCI(Virtual Path/Channel Identifier)值。為了能夠區分業務，接入節點必須能夠根據以太網類型或在接入節點內部保存的靜態配置來決定VLAN的分配，從而使得不同的業務能夠映射到不同的VLAN中，業務模型如圖3所示。

對于用戶端來說，基于協議/以太網類型的傳入業務流將被映射到不同的VLAN。該業務流中可能存在包含一個空的VID和P－bit位的標簽。在攜帶Priority－Tagged的 N∶1 中，Priority－Tagged 將在網絡端被 S－Tag所替換，而Priority－Tagged的CoS也可能被映射到S－Tag中的CoS中。而對于1∶1情形，如果對于某一節點來說S－Tag并不是唯一的，那么對于之前Priority－Tagged中空的VID必須被特定的C－VID替換，因此，對于某一節點來說，將標記唯一的一對S－Tag和C－Tag。

圖3 單PVC untag/priority tag方式多業務組網

2.3 用戶側單PVC tagged方式多業務組網

在用戶側單PVC中，若要區分更加復雜的業務流，應該是在用戶端設備通過設置IEEE 802.1Q標簽來處理，業務模型如圖4所示。這種方式要求在接入節點和用戶端設備之間配置trunk連接，接入節點應能夠將接入端口處的VLAN信息翻譯成不同的C－Tag和S－Tag或者僅僅STag，同時支持在接入點處配置一樣的VLAN ID。另外，支持在U型接口采用雙標簽來區分更加復雜的業務數據。

圖4 單PVC tagged方式多業務組網

在VDSL2(Very High Speed Digital Subscriber Line 2)技術大量應用之后，這種模式將是主流的組網方式。此時多業務無法再通過ATM技術中的PVC來區分業務，最好的選擇是在用戶側使用VLAN Tag作為擴展邏輯通道。

3 接入點的轉發機制

不管是哪種組網模式，都存在著業務流在網絡交換設備中的轉發。在TR－101系統架構下，在網絡的接入節點應支持兩種不同的的轉發機制:基于N∶1 VLAN和基于1∶1 VLAN。以下對這兩種情形作一些說明。

3.1 基于N∶1 VLAN

根據這種機制，接入節點被看作是一個VLAN橋，每一個N∶1 S－Tag是區分虛擬橋的實例，每一個虛擬橋呈現獨立的源MAC學習和幀轉發處理。在上行方向上，對于N∶1 VLAN，用戶端設備的職責是增加一個S－VID(S標簽的VLAN ID)標簽或者轉換一個傳入的S－VID標簽。所以，在R/S接口總是存在一個S－VID標簽;而網絡設備在傳輸上行的幀時并不更改S－VID標簽。在下行方向上，實質上呈現一個相反的操作，在上行方向的幀中S－VID和MAC地址能夠被學習到，用戶端設備將移除或者轉換此標簽，然后基于MAC地址轉發此幀到一個合適的U型接口(面向用戶的接口)[3]。

3.2 基于1∶1 VLAN

在1∶1 VLAN情形下，用戶端口與某一VLAN之間的業務流的轉發存在著一一對應關系。在上行方向上，某一端口接收的幀添加一個或者雙VLAN標簽，然后傳輸到網絡;在下行方向上，從網絡接收到的幀被剝除一個或者兩個VLAN標簽，并轉發到相應的端口[3]。

在上行方向上，用戶端設備總是添加一個標簽到無標簽的幀或者轉換一個傳入的Q－Tag。對于單標簽VLAN，用戶端設備主要是添加一個S－VID或者轉換一個傳入的標簽為S－VID，而網絡設備則是透明轉發或者轉換S－VID標簽為一個新的S－VID標簽;在雙標簽VLAN中，用戶端主要是分配一個C－VID標簽或者轉換傳入的標簽為一個C－VID標簽，而網絡設備則增加S－VID標簽。

在下行方向上，實質上是相反的操作。對于單標簽VLAN，網絡設備透傳或者將S－VID標簽轉換為C－VID標簽;對于雙標簽VLAN，網絡設備移除外層的標簽或者轉換S－VID標簽為C－VID標簽，而用戶端設備移除或者轉換C－VID，最后轉發此幀到相應的用戶端口[4]。

4 VLAN端口

在TR－101中，依據TLS(Transparent LAN Service)服務劃分，在接入節點上VLAN端口可以分為兩種類型:支持TLS服務的VLAN透明端口和不支持TLS服務的非VLAN透明端口[5]。在業務轉發和處理流程上，這兩種端口存在著明顯的不同，具體如圖5所示。

圖5 VLAN端口業務流轉發

4.1 VLAN 透明端口

在VLAN的透明端口一般可以同時支持TLS數據流和非TLS數據流，TLS數據流一般為帶VLAN標簽、untagged或priority tagged三種，而非TLS數據流只能是帶VLAN標簽的業務流。在VLAN透明端口上可以配置一個VLAN成員表，在其中定義了端口所屬的VLAN列表。在上行方向上，當收到untagged或priority tagged的TLS業務流時，交換機直接打上端口所配置的S－Tag標簽并轉發;當收到帶標簽的業務流時，交換機將取出業務流中標簽信息，判斷其是否屬于透明端口上定義的VLAN成員表，如果不屬于VLAN成員表，則直接打上S－Tag后轉發，反之將查詢VLAN翻譯表進行VLAN翻譯，找到匹配表項后進行VLAN替換并轉發。通常VLAN翻譯的方式存在兩種:一種是定義SVID替換用戶側的CVID;第二種是定義SVID和CVID，用CVID替換用戶側VLAN信息后再添加SVID。在下行方向上，TLS業務流將S－Tag剝除后直接向相應的用戶轉發;非TLS業務流則進行S－Tag或者S－Tag+C－Tag的翻譯還原后再轉發相應的用戶。

4.2 VLAN非透明端口

同樣，對于VLAN非透明端口，當接收到untagged或者priority tagged時，不管端口有沒有配置相應的VLAN映射，端口都將添加SVID或者SVID+CVID。只是在配置VLAN映射的端口時，標簽是由不同的協議類型來決定的，反之則是端口的默認標簽。而當收到tagged業務流時，若業務流的VLAN不屬于端口的VLAN列表，則業務流直接被丟棄;反之則根據VLAN翻譯表進行轉發，其中在VLAN非透明端口的VLAN翻譯也存在兩種情況，并與VLAN透明端口的翻譯是一致的[6]。

5 總結

在TR－101中對VLAN技術的規范，有助于增強網絡的安全性，起到用戶數據隔離的作用，可以減少網絡上數據流擁堵的情形，提高網絡性能。并且對于支持VLAN的各交換設備起到統一、規范的作用，增強設備間的兼容性。

[1]陳偉.數據通信與計算機網絡[M].武漢:武漢理工大學出版社，2004.

[2]End to End Architecture Working Group .TR－101 issue 2:migration to ethernet－based broadband aggregation [EB/OL].[2011－12－01].http://www.broadband－forum.org/technical/trlist.php.

[3]Fiber Access Network Working Group.TR－200 corrigendum 1:using epon in the context of TR－101[EB/OL].[2011－12－01].http://www.broadband－forum.org/technical/trlist.php.

[4]Q/CT2361—2011，中國電信 EPON 設備技術要求(V3.0)[S].2011.

[5]中興通訊股份有限公司.TR－101 組網技術白皮書(V1.0)[S].2007.

[6]喻勝.EPON+EoC 場景下的端到端 VLAN 規劃[EB/OL].[2011－12－15].http://www.c114.net/topic/3073/a644683.html.