基于1+1工作模式OLT的LACP協(xié)議研究

羅志成，張潔

（武漢郵電科學研究院，湖北武漢 430074）

隨著通信互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對圖像、語音以及多媒體業(yè)務(wù)的需求不斷增加。近幾年，PON 技術(shù)憑借維護方便、成本較低、穩(wěn)定性強以及可靠性高的優(yōu)勢越來越受通信設(shè)備廠商的青睞。

OLT 是PON 系統(tǒng)中的核心設(shè)備，它既能夠?qū)⒐镁W(wǎng)絡(luò)的信號傳輸?shù)郊彝ビ脩簦材軌驅(qū)碜杂脩舻男盘柗殖刹煌N類的業(yè)務(wù)信號，分別送入到業(yè)務(wù)網(wǎng)中。隨著越來越多用戶的接入，傳統(tǒng)OLT 設(shè)備中，雙主控盤一個工作另一個當作備份的工作方式不足以處理龐大的數(shù)據(jù)量。另外，PON 網(wǎng)絡(luò)中普通物理鏈路連接的帶寬速率也滿足不了當前人們對網(wǎng)速毫秒級延遲的需求。文中提出的1+1 工作模式的OLT 設(shè)備支持雙主控盤同時工作，并支持接入網(wǎng)中跨盤鏈路聚合。此種工作模式的OLT 設(shè)備不僅能夠保證主備倒換時業(yè)務(wù)的穩(wěn)定性和可靠性，也提高了帶寬速率。

1 PON系統(tǒng)

1.1 PON系統(tǒng)架構(gòu)

PON 是一種由點到多點架構(gòu)組成的網(wǎng)絡(luò)寬帶技術(shù)，主要由光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）、光線路終端（OLT）和光分配網(wǎng)（ODN）組成。整個PON 系統(tǒng)的運行以及接入過程中無需任何使用電源的電子設(shè)備，因此PON也被稱為無源光網(wǎng)絡(luò)。PON 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 PON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 PON系統(tǒng)工作原理

PON 在上行和下行方向采用不同的復(fù)用技術(shù)。在下行方向中，OLT 將要送給每個ONU 的業(yè)務(wù)信號組裝成幀，以廣播的方式發(fā)給多個ONU，每路信號都含有發(fā)給所有特定ONU 的幀，各個ONU 接受屬于自己的幀，丟棄其他ONU 的幀。下行廣播方式如圖2所示。

圖2 PON系統(tǒng)下行廣播方式

上行方向采用時分多址（TDMA）方式共享信道進行傳輸，OLT 為每個ONU 都分配一個傳輸時隙，不同的ONU 在不同的時隙發(fā)送上行信號。上行傳輸方式如圖3 所示。

圖3 PON系統(tǒng)上行廣播方式

2 LACP協(xié)議

2.1 LACP協(xié)議介紹

鏈路聚合是將多條物理鏈路綁定形成一條邏輯鏈路的技術(shù)。聚合后邏輯鏈路中的最大帶寬等于原來物理鏈路的帶寬總和。LACP 技術(shù)既能提高業(yè)務(wù)的帶寬，同時也能提供備用鏈路，從而保持業(yè)務(wù)不會中斷。

鏈路聚合技術(shù)分為手工聚合和LACP 模式鏈路聚合。在現(xiàn)網(wǎng)中，手工聚合由于操作復(fù)雜、不易控制而使用較少，文中不予以詳細介紹。LACP 模式鏈路聚合是在IEEE802.3ad 標準中提出的協(xié)議，加入聚合組的成員通過發(fā)送LACP 報文與對端設(shè)備交互信息實現(xiàn)鏈路的匯聚。

LACP 協(xié)議要求將端口加入聚合組時比較端口的基本配置，只有基本配置（例如VLAN、雙工、速率）相同的端口才能加入到同一聚合組中。

2.2 LACP協(xié)議報文解析

LACP 協(xié)議報文格式如圖4 所示，內(nèi)容包括目的MAC 地址、源MAC 地址、協(xié)議類型、Actor 的信息與Partner 的信息等。在報文內(nèi)容中，Actor_State 和Partner_State 分別表示本端端口協(xié)議狀態(tài)和對端端口的協(xié)議狀態(tài)。協(xié)議狀態(tài)是由LACP 內(nèi)部的4 個狀態(tài)機來計算的。端口狀態(tài)是0x3d 或0x3f 表示端口LACP 協(xié)議協(xié)商成功，否則代表協(xié)商失敗。

圖4 LACP協(xié)議報文格式

2.3 LACP協(xié)議狀態(tài)機

LACP 協(xié)議的交互主要由協(xié)議內(nèi)部的一組狀態(tài)機來實現(xiàn)，這組狀態(tài)機負責整個LACP 協(xié)議的運轉(zhuǎn)。LACP 主要由4 個狀態(tài)機和一個邏輯判斷組成，具體如下：

接收狀態(tài)機Receive machine：接收對端LACP 包并記錄信息，判斷對端是否和本端協(xié)商。

周期性發(fā)送狀態(tài)機Periodic Transmission machine：通過周期性發(fā)送LACPDU 包來維持聚合狀態(tài)。

聚合狀態(tài)機Mux machine：控制端口加入或踢出聚合組。

發(fā)送狀態(tài)機Transmit machine：為其他狀態(tài)機服務(wù)，發(fā)送LACPDU 數(shù)據(jù)包。

邏輯判斷Selection logic：為物理端口選擇一個可用的聚合組。

3 方案設(shè)計

3.1 OLT 1+1模式設(shè)計

要將OLT 設(shè)備中兩個獨立主控盤單獨工作改成兩個主控盤一起工作，首先要改變兩塊主控盤交換芯片的工作模式。文中的改進方法是將兩塊主控盤的交換芯片作為一個整體，而不是各自獨立工作的交換芯片，也就是將1+1 工作模式下的兩塊主控盤配置成堆疊工作模式。設(shè)計模式如圖5 所示。

圖5 堆疊工作模式

將配置成堆疊模式的交換芯片的端口進行重新定義，兩塊主控盤之間的級聯(lián)端口定義為堆疊端口，將主用主控盤、備用主控盤的端口以及上聯(lián)盤的端口定義為普通端口。普通端口用來收發(fā)報文并進行MAC 地址表學習，堆疊端口只作為系統(tǒng)內(nèi)部的通信端口，不參與報文的MAC 地址表學習。堆疊端口與普通端口設(shè)計模式如圖6 所示。

圖6 堆疊端口與普通端口

在堆疊模式下，需要將兩塊主控盤交換芯片的端口號在系統(tǒng)內(nèi)部統(tǒng)一編號，編號方式是芯片號和端口號的組合。Chip ID 和Port ID 的數(shù)據(jù)長度為2 字節(jié)，組合方式如圖7 所示。

圖7 交換芯片端口號編號方式

在這樣的方式下，當主控盤的交換芯片接收到二層以太網(wǎng)報文后，在報文頭中增加芯片號和端口號信息，普通端口將由Chip ID 和Port ID 組成的新端口號信息加入到報文頭中，堆疊端口不增加報文頭。

通過以上設(shè)計方案，兩塊主控盤可實現(xiàn)1+1 并發(fā)工作模式，兩塊主控盤的上聯(lián)口可同時工作，實現(xiàn)上聯(lián)口的擴展和負載分擔。主用主控盤交換芯片學習PON 業(yè)務(wù)單盤、主用主控盤、備用主控盤等所有端口收到的報文MAC 地址并記錄到MAC 地址表中，并實時同步到備用主控盤中。而備用主控盤交換芯片不需要學習MAC 地址表，但也可以與主用主控盤的二層表項保持一致。這樣，系統(tǒng)內(nèi)只維護主用主控盤的二層表項，無需維護兩個二層表項。

3.2 LACP跨盤聚合方案設(shè)計

在傳統(tǒng)OLT 設(shè)備中，只支持主用主控盤單獨工作，而備用主控盤不運行協(xié)議。1+1 工作模式的OLT能夠支持跨主控盤聚合。LACP 協(xié)議1+1 模式設(shè)計如圖8 所示。

圖8 LACP協(xié)議1+1模式設(shè)計

設(shè)備與設(shè)備之間的LACP 協(xié)議交互(如LACP 使能、創(chuàng)建Trunk 組、設(shè)置Trunk 的工作模式、設(shè)置Trunk 組的最大活動成員數(shù)、將端口加入到Trunk 組等)需要進行LACP 配置。

RCAL 是命令行模塊，SNMP 是網(wǎng)管模塊。這兩個模塊負責LACP 協(xié)議的配置下發(fā)與配置回讀，主盤配置通過命令行直接下發(fā)，備盤配置通過數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)配置同步。

橋模塊與協(xié)議模塊的交互主要有端口事件上報、獲取端口信息以及LACP 協(xié)議的收發(fā)報文。橋模塊獲取端口的雙工、速率和狀態(tài)來判斷端口是up 還是down，并將此事件上報給協(xié)議模塊。LACP 協(xié)議模塊只有收到橋模塊發(fā)來端口up 的消息并且端口配置了LACP 協(xié)議，才進行LACP 協(xié)議的處理。

LACP 協(xié)議通過注冊收包函數(shù)lacp_register_rx_handler 到橋模塊來進行收取報文。主用主控盤上聯(lián)端口和備用主控盤上聯(lián)端口形成鏈路聚合，主用主控盤端口收到報文的同時會復(fù)制一份到備盤中，但備盤不進行處理；備用主控盤的上聯(lián)端口收到報文也會復(fù)制一份到主盤中，在主盤的CPU進行處理。

LACP 協(xié)議模塊會調(diào)用橋模塊的發(fā)包函數(shù)uv_portIfSend 進行組包，組包是在主用主控盤上完成的。組包完成后可以通過本盤的上聯(lián)端口直接發(fā)送出去，也可以通過主從通道發(fā)給備盤，通過備用主控盤的上聯(lián)端口發(fā)送出去。

4 實驗測試

基于提出的1+1 并發(fā)工作模式OLT 設(shè)備并支持LACP 跨盤聚合的方案設(shè)計，在實驗室搭建圖9 所示的實驗環(huán)境。使用OLT 設(shè)備與華為交換機進行連接，其中9 盤為主用主控盤，10 盤為備用主控盤，9∶1與10∶1 形成跨盤鏈路聚合。

圖9 LACP跨盤聚合

在OLT 設(shè)備與交換機設(shè)備上進行LACP 配置，發(fā)現(xiàn)LACP 協(xié)議可以正常協(xié)商。通過命令行在設(shè)備上回讀LACP 聚合組信息，如圖10 所示。

圖10 LACP跨盤聚合信息

使用實驗室儀表TestCenter 來模擬業(yè)務(wù)流，通過2/11 端口和2/4 端口進行雙向打流，流量速率為1 000 fps。數(shù)據(jù)流量信息如圖11 所示。

圖11 跨盤聚合數(shù)據(jù)流量示意圖

由圖11 可以發(fā)現(xiàn)，2/4 端口發(fā)出1 000 fps 的業(yè)務(wù)流量，接收到1 000 fps 的業(yè)務(wù)流量；2/11 端口發(fā)出1 000 fps 的業(yè)務(wù)流量，也接收到1 000 fps 的業(yè)務(wù)流量，全程無丟包現(xiàn)象。

在正常聚合的條件下，拔掉9∶1 端口，使數(shù)據(jù)流全部通過10:1 端口進行傳輸，在儀表軟件中查看丟包信息。丟包信息如圖12 所示。

圖12 LACP倒換丟包信息

文中實驗設(shè)置流量速率為1 000 fps，根據(jù)圖12可知，在LACP 倒換過程中丟失18 幀，因此倒換時間大約為18 ms。

5 結(jié)論

提出的支持以1+1 并發(fā)工作模式OLT 為基礎(chǔ)并且在軟件上實現(xiàn)LACP 協(xié)議的方案設(shè)計，通過實驗測試驗證了可以支持跨主控盤聚合，不僅能夠提高帶寬、縮短倒換時間，而且在主控盤主備倒換時不會中斷業(yè)務(wù)，提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理性能和穩(wěn)定性，展現(xiàn)了設(shè)備良好的商用價值。今后將主要關(guān)注設(shè)備跨網(wǎng)段之間的通信，進一步提高設(shè)備的實用性。