（通信与信息系统专业论文）电信级以太环网路径保护机制的研究与实现.pdf

武汉邮l 乜科学研究院硕十学位论文 摘要 近几年，随着以太网技术在l a n 里面得到广泛应用的同时，以太网技术开始在 运营商城域网络发展。但传统以太网自身存在的一些缺陷，如缺乏完善的o a m 机制 以及无法提供小于5 0 m s 的路径保护和故障恢复机制等，阻碍了其在城域网络中的应 用。因此，如何增强以太网本身的可靠性，缩短网络的故障收敛时间，提供电信级的 保护倒换，是目前亟待解决的问题。 本课题从以太环网保护倒换和故障恢复模型出发，分析了保护倒换与恢复的操作 周期，并研究了以太环网中的负载均衡问题，提出了一种基于以太环网的并行、分布 式环路保护和恢复算法( c e s r ) 。该算法不同于现有的生成树算法和以太网保护技术， 能够在小于5 0 m s 内实现保护倒换且避免环路。 保护倒换和负载均衡是c e s r 的两个重要的功能。c e s r 之所以能够提供电信级 的业务，5 0 m s 保护倒换是不可缺少的。同时，为了提高线路的利用率，在环形拓扑 上均匀的分担网络流量，c e s r 采用了多域的方式来实现负载均衡。c e s r 能适应于 多种复杂的网络拓扑结构，并且配置策略简单。本文深入讨论并实现了单环、多环、 单域和多域的环路保护机制，并指出如何通过v l a n 隔离来防止协议攻击，提高了 以太网环路的安全性。 此外，本课题在环形网络拓扑中引入o a m 功能，增强了网络的可靠性和可维护 性。最后，介绍了该算法在一个电信级以太网多业务平台上的具体实现及测试结果。 关键词：电信级；以太环网保护倒换；分布式；操作管理维护( o a m ) 武汉邮l 乜科学研究院硕十：学位论文 a b s t r a c t i nl e s st h a nad e c a d e ，t h ed e v e l o p m e n to fe t h e r n e tt e c h n o l o g yi nl a nm a k e si ta sa c h o i c eo fs o l u t i o n sf o rm a n sa n dw a n s h o w e v e r ，t r a d i t i o n a le t h e n e th a ss o m ed e f e c t s ， s u c ha sl a c ko fo a mm a c h e n i s m ，c a n n o tp r o v i d e p a t hp r o t e c t i o na n dr e s t o r a t i o ni n s u b 一5 0 m s ，a n dt h e s ew i l ls l o w e rt h ed e v e l o p m e n to fe t h e m e tt e c h n o l o g y a sar e s u l t ，i fw e w a n tt or e a l i s ec a r r i e rg r a d ep r o t e c t i o ns w i t c h i n gi ne t h e r n e t ，w es h o u l di m p r o v et h e r e l i a b i l i t yo f e t h e m e ta n dr e d u c et h ec o n v e r g e n c yt i m ew h e nf a i l u r eh a p p e n t h i sp a p e rp r e s e n t sap a r a l l e la n dd i s t r i b u t e dr i n gp r o t e c t i o na l g o r i t h m ，c a r r i e r e t h e r n e ts e r v i c er i n g ( c e s r ) b a s e do nt h ee t h e m e tr i n gp r o t e c t i o ns w i t c h i n gm o d e l ，w e a n a l y z et h eo p e r a t i o nc y c l em o d e lo ft h ep r o t e c t i o ns w i t c h i n g d i f f e r e n tf r o mo t h e r e t h e m e t b a s e dp r o t e c t i o ns c h e m e s ，t h i sm e c h a n i s mi sb a s e do nt h es t a n d a r d ，l o w c o s t e t h e m e tl a y e r2d a t a - l i n ks w i t c h i n gt e c h n o l o g yt os u p p o r tf a s ta u t o m a t i cs e r v i c er e c o v e r y o nt h eo r d e ro fm i l l i s e c o n d s ，o f t e ni ns u b - 5 0 m s ，w i t hh i 曲s c a l b i l i t ya n dl o ws y s t e m o v e r h c a d r i n gp r o t e c t i o na n dl o a ds h a r i n ga r et h et w oi m p o r t a n tf u n c t i o n so fc e s r d u e t ot h e p r o t e c t i o na n dr e s t o r a t i o ni ns u b - 5 0 m s ，c e s rc a np r o v i d ec a r r i e rg r a d es e r v i c e i no r d e rt o i m p r o v eu t i l i z a t i o no fr e s o u r c ea n dr e a l i z el o a ds h a r i n go nr i n gn e t w o r k ，t h i sm e c h a n i s m a d o p t sm u l t i - d o m a i nm e t h o d ，w h i c hc a na p p l yt om a n yc o m p l i c a t e dt o p o l o g i e sw i t hs i m p l e c o n f i g u r a t i o n t m sp a p e rd i s c u s s e st h ei m p l e m e n t a t i o no fr i n gp r o t e c t i o na n dr e s t o r a t i o n m e c h a n i s mi nd e t a i l a n di ta l s oi n t r o d u c e sh o wt oe n h a n c et h es e c u r i t yo fr i n gn e t w o r k s b y v l a ni s o l a t i o n w h a ti sm o r e ，w ee m p l o yo a mf u n c t i o n st oi m p o r v er e l i a b i l i t ya n dm a i n t a i n a b i l i t y i nr i n gn e t w o r k s i nt h ee n d ，t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ei m p l e m e n t a t i o na n dt e s tr e s u l t so f c e s r p r o t o c o lo na c a r t i e re t h e r n e tm u l t i - s e r v i c ep l a t f o r m k e yw o r d s ：c a r r i e rg r a d e ；e t h e m e tr i n gp r o t e c t i o ns w i t c h ；d i s t r i b u t e d ；o a m 武汉邮电科学研究院硕十学佗论文 1 1 前言 第1 章绪论 城域网中传送网主要是采用环网架构，环型网络拓扑在层次化组网、节省线路资 源( 比如光纤、c a b l e 等) 、提供灵活快速的保护、简化组网拓扑和简化网络管理等方 面具备格型和星型方式不能完全提供的优点。但是，它必须给数据通道提供快速的故 障保护和恢复能力，其中最关键的就是小于5 0 m s 的保护倒换。 目前，城域网中的传送网络多采用s d h s o n e t 1 1 和m p l s 快速重路由方式 2 3 1 提供小于5 0 m s 的保护倒换能力，但是存在以下不足：s d h 本质上主要是对t d m 的 传送平台，传送数据时需要采用映射技术将数据封装到s d h s o n e t 帧结构中去，这 就带来了映射开销且成本高昂；基于m p l s 保护技术可以提供1 + 1 ，l ：l 和i ：n 的多种 保护方式，但是需引入复杂的m p l s 信令，可能会导致互连互通问题。 i e e e 和i t u t 提出了弹性分组环( r p r ) 【4 ，5 】和多业务环( m s r ) 6 1 来解决环型 拓扑的保护倒换问题，r p r m s r 提供了在m a c 7 】上实现自动保护倒换( a p s ) 的能力， 但由于需要引入新的m a c 协议，无法和现有的网络设备兼容而导致成本较高。此外， r p r 并未很好地解决跨环问题。 目前，以太网已成为局域网最重要的技术【8 】，承载了9 0 以上的接入数据流量， 尤其是1 0 g 以太网【8 】出现后，以太网的应用范围突破了局域网的限制，延伸到了城域 网和广域网。因此，如果能够采用以太网技术直接组成城域网中的环型传送网络，既 可以避免协议之间的转换带来的开销，又可以和现有技术兼容，具有良好的应用前景。 但是，以太网本身无法提供完善的o a m t l o 】功能，因此必须在以太网上提供快速的保 护倒换能力。 1 2 现有技术分析 1 2 1 生成树协议分析 目前的二层网络多采用生成树算法来避免以太网络中的环路和进行故障恢复。生 武汉邮电科学研究院硕十学位论文 成树协议有以下四种：s t p ( s p a n n i n g t r e ep r o t o c 0 1 ) 1 ，r s t p ( r a p i ds p a n n i n gt r e e p r o t o c 0 1 ) 1 1 2 1 3 1 ，p v s t p v s t + ( p e rv l a ns p a n n i n gt r e e ) 【14 1 卯，m s t p ( m u l t i p l e s p a n n i n gt r e ep r o t o c 0 1 ) 1 6 , 1 7 1 。其中s t p 和r s t p 属于单生成树s s t ( s i n g l es p a n n i n g t r e e ) ，p v s t p v s t + 和m s t p 属于多生成树m s t ( m u l t i p l es p a n n i n gt r e e ) 。在s t p 算法中，当拓扑发生改变时需要重新计算拓扑，因此通常需要3 0 秒( 2 倍 f o r w a r d d e l a y ) 的故障恢复时间。尽管r s t p 协议在s t p 协议的基础上做了几点重要 改进，这样减少了故障恢复时间，但其需要的时间仍然在秒级( 最快1 秒以内) 但 是单生成树s s t 有其自身不可克服的诸多缺陷，主要表现在三个方面： 第一点缺陷：由于整个交换网络只有一棵生成树，在网络规模比较大的时候会导 致较长的收敛时间，拓扑改变的影响面也较大。 第二点缺陷：近年来v l a n 1 8 1 成为交换机的标准协议。在网络结构对称的情况 下，单生成树也没什么大碍。但是，在网络结构不对称的时候，单生成树就会影响网 络的连通性。 ，trunkvlan1 02 0 r s w l 一一 司 ，l v l a n1 0 图1 1 非对称网络示意图 图1 1 中假设s w l 是根桥，实线链路是v l a n1 0 ，虚线链路是8 0 2 1 q 的t r u n k 链路，t r u n k 了v l a n1 0 和v l a n2 0 。当s w 2 的t r u n k 端口被阻塞的时候，显然 s w l 和s w 2 之间v l a n2 0 的通路就被切断了 第三点缺陷：当链路被阻塞后将不承载任何流量，造成了带宽的极大浪费，这在 环型城域网的情况下比较明显。 尽管p v s t p v s t + 和m s t p 克服了单生成树的一些缺陷，但其存在协议兼容性 问题。对于p v s t p v s t + 而言，由于每个v l a n 都需要生成一棵树，p v s tb p d u 的 通信量将j 下比于t r u n k 的v l a n 个数：在v l a n 个数比较多的时候，维护多棵生成 树的计算量和资源占用量将急剧增长。特别是当t r u n k 了很多v l a n 的接口状态变 化的时候，所有生成树的状态都要重新计算，c p u 将不堪重负。m s t p 在协议中引入 了i s t ( 内部生成树) 概念和m s t 实例，并且要求m s t 区域的一组交换机必须共享 2 武汉邮电科学研究院硕十学位论文 相同的配置属性，这也造成了协议的复杂性。 1 2 2 以太网自动保护倒换( e a p s ) 协议分析 e a p s f l 9 】严格来说并不是i e t f 推荐的标准，而只是一个备忘录，但由于其简单 灵活的实现方式，已经成为事实上的以太环网技术标准。e a p s 技术采用了分布式的 思想，针对每个域进行操作，在每个域中配置控制v l a n 来进行故障检测，大大降 低了故障检测时间。但e a p s 仍存在以下不足：首先，在e a p s 中，所有的故障检测 仍采用集中式方式，均由主站完成，因此可能导致扩展性问题，当环上节点增加时的 故障检测时间会相应增长，且无法定位具体故障点；其次，e a p s 对单环的保护倒换 作了详细的规定，但对于多环复杂拓扑下的路径保护和故障恢复没有提出明确的解决 方案。 1 2 3 以太环网保护倒换( e l 强) 协议分析 e t h e m e tr i n g sp r o t e c t i o n ( e r p ) 2 0 】是1 1 u t 在g 8 0 3 2 中提出的，e r p 对于以太 环网给出了明确的组网目标和定义。e r p 功能完善但实现比较复杂，其操作过程需要 与o a m 模块共同协作来完成，e r p 的故障检测是通过高频发送c c 帧来完成的，而 且发生故障后开始的三个l i n k d o w n 消息发送时间间隔短至毫秒级，因此为了减轻 c p u 的负担，必须提供相应的硬件支持。 1 2 4 基于m a c 的链路状态( l s o m ) 协议分析 l i l l l 【s t a t eo v e rm a c ( l s o m ) 2 1 1 是一种基于二层m a c 地址的链路状态路由协 议，类似于o s p f 2 2 】这样基于链路状态的路由协议，它可以用于各种复杂的网络拓扑。 但它的使用有一定局限性：首先它主要是适用于城域网的核心网络中，尤其是基于 1 0 g e 的网络；其次，它要求连接的设备为边缘路由器，以隔绝广播域；此外，当网 络上节点较多时，基于链路状态的算法计算所需时间长且扩展性较差。 1 2 5 弹性分组环( r p r ) 协议分析 r p r 采用互逆双环组网结构，定义了两种保护机制。一是环回方式：靠近故障 的两端节点将数据流“环回”到另一个环上( 如内环数据流到外环) ，通过长路径允 许数据流维持与目的节点之间的连接。该方式的优点是故障切换的恢复时间非常短， 3 武汉邮电科学研究院硕十学位论文 只可能丢失极少量的报文，不会造成业务中断的情况；缺点是链路带宽利用效率不高。 另一种是源路由方式：直接在业务的源点进行倒换，通过改变发送环向将数据流传送 到目的节点，避免了带宽的浪费，但是由于需要重新收敛，恢复时间较长。r p r 的 w r a p p i n g 和s t e e r i n g 保护较为成熟，但是需要硬件支持。 1 3 本课题主要内容及创新点 基于现有技术的局限性，本文提出了一种基于以太环网的快速保护倒换和恢复算 法( c e s r ) 。它不同于传统的生成树和以太网保护倒换方法，采用了一种分布式的实 现方式，降低了故障保护的时白j 复杂度，可以实现小于5 0 m s 的倒换。文档结构安排 如下： 第一章为绪论部分，介绍目前城域网的发展概况，分析了几种目前实现以太环网 的技术，并对论文的内容进行安排。 第二章介绍了环路保护倒换以及多环互联拓扑模型。该章首先通过以太环网保护 模型论述了以太网环路保护倒换和恢复的时间参数，并分析了不同多环互联拓扑方式 的优缺点，然后引出本课题的实现目标。 第三章详细论述了c e s r 协议的故障保护倒换和恢复算法和实现原理，然后介绍 了负载均衡机制以及o a m 的相关工作流程，并分别对上述功能给予相应的示例说明。 第四章介绍了c e s r 在一个电信级以太网多业务平台上的具体实现。该章采用模 块化方式对c e s r 进行设计和实现，并对各模块的算法流程进行详细说明。 第五章对实验系统进行测试，并对实验结果进行分析。 第六章为本课题的研究成果和应用前景，以及下一步的研究方向。 本文的创新点在于以单环保护机制为基础实现了相交环的保护倒换，在相交环拓 扑中，不论是故障发生还是故障恢复，整个操作过程小于5 0 m s 并避免了环路特别是 超环的产生。同时，采用多域的方式实现了负载均衡，极大的提高了链路的利用率。 最后，考虑到以太网缺乏完善的o a m 机制，本课题引入了一定的o a m 功能，用于 对以太环网进行故障定位以及检测环上节点间的连通性。c e s r 协议已经成功用于烽 火网络各种以太网交换机平台上，并通过了中国移动的选型测试以及中国电信的环网 协议互通性测试。 4 武汉邮电科学研究院硕+ 学位论文 第2 章电信级以太环网路径保护模型 2 1 电信级以太环网路径保护的模型分析 在进行模型分析之前，首先进行以下定义： g ( n ，a ) ：一个有n 个节点和a 条链路的无向图网络【2 3 之5 1 ； i ，j ，k l ：代表网络中的各个节点。而每条链路由它们的两端节点进行表示，如 l i n k ( i j ) ； p ( i , j ) - 代表网络中两个节点之间的路径； p a ( i j ) ：代表网络中两个节点之间的工作( a c t i v e ) 路径； p b ( i j ) ：代表网络中两个节点之间的备用( b a c k u p ) 路径。 需要指出的是，以太网上必须避免回路，否则会导致广播风暴。因此，以太环网 保护倒换模型定义如下：存在一个g ( n ，a ) 的网络，它满足以下条件： 1 n 个节点可以分为k 组，每一组中的节点属于一个或多个域，其中，属于多 个域的节点，称之为相切点； 2 每个域中除了相切点外，其他节点均只和最近的两个节点相连接； 3 任意两点之间具有路径p o d ) ，且不存在回路( a c y c l i c ) 。 该网络需要具备以下功能： 1 在g ( n ，a ) 任意一点或多点故障时，能够实现路径保护且没有回路，流量能够 从p a ( i j ) 倒换到p b ( i j ) ； 2 当故障恢复后，流量从p b ( i ，j ) 恢复到p a ( i , j ) 。 图2 1 保护倒换和恢复过程 我们所关心的是当g ( n ，a ) 中某一个或多个节点出现故障时，能够使其他节点在 最短的时间内( 小于5 0 m s ) 切换到备用路径，且整个网络中不出现回路。 如图2 1 ，整个保护和倒换过程包括：故障检钡t j ( f a u l td e t e c t i o n ) 、保护( p r o t e c t i o n ) 5 武汉邮电科学研究院硕十学位论文 或恢复( r e s t o r a t i o n ) 算法处理、流量的重定向，因此整个时间包括故障检测时间( t d l ) 、 端口状态切换时间( t b f ) 、刷新端e l 转发表的时自j ( t 印) 以及网络流量重定向所需 的时间( t f t ) ，如果要求满足小于5 0 m s 的倒换，则t d l 、t b f 与t f p 之和必须小于 5 0 m s 。 2 2 以太环网多环网络拓扑模型规划与分析 多环网络拓扑可以分以下六类【2 6 】：( 1 ) 环间共享边而不共享节点( 图2 6a ) ：( 2 ) 环间共享节点( 图2 6b ) ，( 3 ) 环间双备份链路互连( 图2 6c ) ，( 4 ) 环闯共享边( 图 2 6d ) ，( 5 ) 环间以环方式互连( 图2 6e ) ，( 6 ) 多环混合拓扑( 图2 6f ) 。 从图2 6 可以看出，以点到点或多环共享单点方式的互连( 图2 6 a ，b ) 是不能提 供节点故障或环间流量保护的，而图2 6 c ，d ，e ，f 则具有多点故障的保护能力。 图2 2 多环互连网络 2 3 本课题以太环网路径保护的实现目标 综合日i 面对以太环网保护倒换和多环拓扑的分析来看，本课题所研究的内容应具 备以下功能特征： 1 环路避免及成环检测能力【2 7 】： 6 武汉邮电科学研究院硕十学位论文 2 故障的快速检测； 3 环路保护和环路恢复处理； 4 具有适应各种跨环方式的能力【2 6 】： 5 具有o a m 功能： 6 具有选程管理该协议的能力； 2 3 1 故障检测方案分析 目前的技术方案中对故障检测是参考e a p s 规定的方式，即采用定时发送h e l l o 报文来实现的。h e l l o 报文在环上传输一周后重新回到发送节点，根据发送节点是否 能收到自己发送的h e l l o 报文来判断环的完整性，如图2 3 所示。 h e l l o 图2 3 环路故障检测 这种检测方式存在以下两个问题： 1 要提供小于5 0 m s 的保护倒换，必须高频发送h e l l o 报文以减少故障检测的时 间，但这样会导致环上节点c p u 负担过重； 2 当环上节点数增加时，h e l l o 报文在环上传输的时间会相应的增加，降低了故 障检测的效率，对倒换时间会产生不利影响。 为了解决h e l l o 报文检测机制带来的问题，本方案采用以下两种方法相结合的方 法来进行链路故障的检测。其中方法一为主要的故障检测机制，因为其响应时间达到 毫秒级：在方法二中，为了减少节点c p u 的负担，h e l l o 报文的发送周期为1 s ，因此 h e l l o 报文作为故障检测的备用机制，其主要功能是用于环故障恢复的检测。 7 武汉邮电科，学研究院硕十学位论文 1 采用硬件中断的方式。坏上的每个节点总是在监测自己的端口链路状态，当 环网中的某条链路发生故障，链路两端的节点检测出端口d o w n ，则立刻通 过中断通告给c p u 。 2 通过h e l l o 报文超时来检测，即发送h e l l o 报文的节点的在3 倍h e l l o 报 文发送周期内没有收到其发送的h e l l o 报文，则认为坏路上有链路发生了 故障。 2 3 2 环路保护方案分析 在s d h 的链路保护中根据操作方式的不同，可以分为两类：分段保护( s p a n p r o t e c t i o n ) 和路径保护( p a t hp r o t e c t i o n ) 。分段保护是在发生故障链路的相邻两个节 点间进行的；路径保护则是在发生故障的端点执行。按照其预先分配资源方式的不同， 又可以分为以下两类：1 + 1 链路保护和m ：n 链路保护。1 + 1 链路保护是指为每条主通 道配置一条备份通道，发生故障时，由下游节点完成从主通道到备份通道的切换： m ：n 链路保护是指为n 条主通道预先分配m 条备份通道，平常备份通道不传输数据， 只有在发生故障时，才选择一条备份通道来传输数据。链路保护需要预先分配资源。 它虽然能够快速排除故障，但由于需要预先分配资源，使得网络带宽利用率降低。 与s d h 相比，r p r 采用分组交换方式，通过统计复用大大提高传输效率，同时 它在环保护效率方面也具有明显优势。与s d h 一样，r p r 也采用两个反向环实现保 护，关键区别在于，在正常情况下，s d h 的备用环是不传数据的，也就是一半的传 输资源被闲置；而r p r 中，备用环j 下常工作传送数据，有一个环出现断裂时，高优 先级的数据被倒换在完好的环上，传输容量变成原来的一半，这样在实现保护的同时， 保证了对传输能力的充分利用。 但是根据以太网的特性，是不能像s d h 或r p r 那样实现链路保护的。在以太网 上一定要避免成环，因此在以太环网环路上应该是链状的结构，只有当故障发生时才 能把相应的b l o c k 点打开完成链路的保护功能。因此，这种方式的保护倒换过程较s d h 或r p r 的保护倒换过程要慢一些。 8 武汉邮电科学研究院硕十学位论文 第3 章电信级以太环网路径保护实现方案详述 一个专门应用于以太网环的链路层协议，在以太网环完整时应防止数据环路引起 的广播风暴，而当以太网环上一条链路断开时，应迅速启用备份链路以恢复环网上各 个节点之间的通信通路。 3 1 以太网环路保护协议角色状态及其转换关系 3 1 1以太网环路保护协议基础 环：一个环物理上对应一个环形连接的以太网拓扑，是一组相互连接成环的以 太网交换机集合。 域：域规定了以太网环路保护协议的保护范围，由整数表示的i d 来标识；瓣组 支持相同保护业务v l a n ，配置了相同的控制v l a n ，并且相互连通的交换机群体构成 一个域。一个域可以只包含一个环，也可以由彼此相交的多个环构成。 主环：当一个域包含多个环时，应选择其中一个环作为主环。主环上各节点的 主、从端口需要同时加入主控制v l a n 和子控制v l a n 中。 ： 子环：当一个域包含多个环时，除主环之外的其他环称为子环。子环上各辜点 的主、从端口只需要加入子控制v l a n 中。 控制v l a n ：每个域具有两个控制v l a n ，分别叫做主控制v l a n 和子控制v l a n 。 主环的协议报文在主控制v l a n 中传播，子环的协议报文在子控制v l a n 中传播。 保护v l a n ：保护v l a n 是域中用来传输数据报文的v l a n ，这些v l a n 包含设备接 入环的端口和其它端口每个域保护一个或多个数据v l a n 。每个域内环路保护协议 计算出的拓扑仅对该域的保护v l a n 有效。 主节点：主节点是环上的主要决策和控制节点。每个环上必须有一个主节点， 而且只能有一个。 传输节点：环上除主节点之外的其它节点都可以称为传输节点。 边缘节点：子环和主环会有两个交点，这两个交点处的交换机称为边缘节点， 边缘节点实际上是特殊的( 环网域上端口数目大于2 个) 传输节点或主节点。 9 武汉邮电科学研究院硕十学位论文 以太网环路保护系统中各节点应满足如下规定： a ) 每个域上所有节点配置相同的域i d 、控制v l a n 和保护v l a n ： b ) 每个域拥有两个控制v l a n ，主控制v l a n 和子控制v l a n ： c ) 主环协议报文在主控制v l a n 中传播，子环协议报文在子控制v l a n 中传播； d ) 主环节点上的域端口同时加入主控制v l a n 和子控制v l a n ，子环上的域端 口只加入子控制v l a n ； e ) 子环的协议报文在主环中视为数据报文处理，与数据报文实现同步阻塞放- 丌。 3 1 2 以太网环路保护协议的端口和端口状态 3 1 2 1 主端口和从端口 主节点和传输节点接入以太网环的两个端口中，一个为主端口，另一个为从端口， 端口的角色由用户的配置决定。当边缘节点作为子环主节点时，则需要配黄边缘端口 为从端口，此时主环内的两个端口为主端口，不用特别指定。 主节点的主端口和从端口在功能上是有区别的。主节点从其主端口发送环路状态 探测报文，如果能够从从端口收到该报文，表明本节点所在环网完整，应阻塞从端口 以防止数据环路：主环主节点如果在规定时间内收不到探测报文，说明环网故障，应 放开从端口以保证环上所有节点的正常通信；子环主节点则不需要这种超时机制。 传输节点的主端口和从端口在功能上没有区别。端口的角色同样出用户的配置决 定。 特别地，主环主节点从端口被阻塞时，不仅要禁止数据报文通过，同时要禁止子 环的协议报文通过；放开时则同时放开数据报文和子环协议报文。也就是说，子环协 议报文在主环中应视为数据报文处理。与主环主节点从端口相同，主环传输节点上的 端口( 包括主端口和从端口) 被阻塞时，应同时阻塞数据报文和子环的协议报文；放开 时二者应同时放开 3 1 2 2 端口状态 节点的端口( 包括主端口、从端口) 都有如下3 种状态： a ) l i n k - u p ：节点检测到与其端口相连的环链路处于正常状态； b ) l i n k - d o w n ：节点检测到与其端口相连的环链路处于故障状态： 1 0 武汉邮电科学研究院顶十学位论文 c ) p r e f o r w a r d i n g ：传输节点的主端口或从端口从l i n k d o w n 状念变为 l i n k - u p 状态时应临时阻塞数据报文，并允许环网协议报文通过。 3 1 2 3 端口的数据转发 节点的端口( 包括主端口、从端口) 的数据转发功能都有如下2 种状态： a ) b l o c k ：阻塞端口，禁止数据从该端口转发，但允许本环的协议报文通过： b ) f o r w a r d 打开端口，允许数据从该端口转发。 例如，当坏网上链路正常时，主节点应阻塞从端口，使得保护业务v l a n 中的 数据不能从主节点从端口通过，防止数据环路产生；当环网上链路发生故障，并且故 障链路对应端口不是主节点从端口时，主节点应打开从端口，允许保护业务v l a n 中的数据在从端口通过，恢复业务数据的通信。 3 1 3 以太网环路保护协议各节点的状态 3 1 3 1 主节点以及状态 以太网环上每一台交换机都称为一个节点，每个环上必须有一个主节点，而且只 能有一个。主节点应周期性的从其主端口发送h e l l o ( 健康检测报文) 报文，依次经 过各传输节点在环上传播。如果从主节点从端口能够收到自己发送的h e l l o 报文， 童 说明环网链路完整；主环主节点如果在规定时间内( 这一时间由f a i l 定时器定义) 收 不到h e l l o 报文，就认为环网发生链路故障；子环主节点f a i l 定时器应停止计时， 不做h e l l o 报文环网完整性检测。 主节点有如下2 种状态： a ) c o m p l e t es t a t e ( 完整状态) 当环网上所有的链路都处于u p 状态，主节点可以从从端口收到自己发送的 h e l l o 报文，就说主节点处于c o m p l e t e 状态。主节点的状态即反映了环的状态，因 此环网也处于c o m p l e t e 状态，此时主节点会阻塞从端口以防止数据报文在环形拓扑 上形成广播环路。 b ) f a i l e ds t a t e ( 故障状态) 当环网上某条链路处于d o w n 状态时，就说主节点处于f a i l e d 状态，此时主节点 放丌从端口以保证环网上各节点通信不被中断。 武汉邮电科学研究院硕+ 学位论文 3 1 3 2 传输节点以及状态 环网上除主节点外的所有其它节点都是传输节点。传输节点负责监测自己的直连 链路的状态，并把链路变化通知主节点，然后由主节点来决策如何处理。 传输节点有如下3 种状态： a ) l i n k - u ps t a t e ( u p 状态) 传输节点的主端口和从端口都处于u p 状态时，说明传输节点处于l i n k u p 状态。 b ) l i n k d o w ns t a t e ( d o w n 状态) 传输节点的主端口或从端口处于d o w n 状态时，说明传输节点处于l i n k d o w n 状态。 c ) p r e - f o r w a r d i n gs t a t e ( 1 临i 时阻塞状态) 。 传输节点的主端1 1 1 或从端口从l i n k d o w n 状态变为u p 状态时将临时阻塞数据报 文，而允许环网协议报文通过，说明传输节点处于p r e f o r w a r d i n g 状态 当处于l i n k d o w n 状态的传输节点某端口发生链路u p ，传输节点迁移到 p r e f o r w a r d i n g 状态。当处于p r e f o r w a r d i n g 状态的传输节点收到主节点发送的 r i n g u p f l u s h f d b 报文时，将迁移到l i n k u p 状态。如果r i n g - u p f l u s h f d b 报文在传输过程中不幸丢失，以太环网保护协议还提供了一种备份机制来恢复临时阻 塞的端口并触发状态切换，就是主环传输节点在规定的时间内收不到 r i n g u p f l u s h f d b 报文，自行迁移到l i n k u p 状态，并放开临时阻塞端口；对于 子环的传输节点则不提供这种超时机制。可选地，子环的传输节点收到本环主节点发 送的c o m p l e t e 状态的h e l l o 报文或者本环其它传输节点发送的l i n k - d o w n 报 文，也应打开临时阻塞端口 3 1 3 3 边缘节点以及状态 两个环形相交时一定有两个交点。同理，子环和主环会有两个交点，这两个交点 处的交换机叫做边缘节点。 当主节点处于边缘节点位置，则需要配置边缘端口为从端口，此时主环内的两个 端口( 称为公共端口) 为主端口，不用特别指定。该节点的状态见6 3 1 。 当边缘节点作为子环上的传输节点时，具有与传输节点相同的3 种状态，但含义 稍有不同，具体如下： 1 2 武汉邮电科学研究院硕十学位论文 a ) l i n k u ps t a t e ( u p 状态) 边缘端口处于u p 状念时，说明边缘节点处于l i n k u p 状态。 b ) l i n k d o w ns t a t e ( d o w n 状态) 边缘端口处于d o w n 状态时，说明边缘节点处于l i i l l ( d o w n 状态。 c ) p r c f o r w a r d i n gs t a t c ( 1 临时阻塞状态) 边缘端口从l i n k d o w n 状态变为u p 状态时将临时阻塞数据报文，而允许环网协 议报文通过，说明边缘节点处于p r o f o r w a r d i n g 状态。 边缘节点状态迁移与传输节点基本相同，不同之处在于边缘节点在端口链路状态 变化导致状态迁移时，只处理边缘端口的链路状态变化。 3 1 4以太网环路保护协议各节点状态转换关系 3 1 4 1 主节点状态转换关系 表3 1 主节点状态转换关系 状态名称 功能描述 i c o m p l e t e 状态 a ) 当环网完整，主肖点的从端口收到自己发出的h e l l o 报文，应 进入此状态； b ) 当收到本环传输：肖点发出的l i n k - d o w n 报文，应切换至f a i 1 e d 状态，打开从端口，刷新本节点m a c 表项，并从主、从两个端 口发送r i n g - d o w n f l u s h f d b 报文； c ) 主环主。i 了点如果在规定时间内( 这一时间由f a i l 定时器定义) 收不到h e l l o 报文，就认为环网发生链路故障，应切换至 f a i l e d 状态，打开从端口，刷新本：商点m a c 表项，并从主、从 两个端口发送r i n g d o w n f l u s h f d b 报文： d ) 子环主节点f a i l 定时器应停1 卜计时。取消h e l l 0 报文超时处理。 i i f a il e d 状态 a ) 当收到传输：悔点发出的l i n k - d o w n 报文，保持f a i l e d 状态不变； b ) 当主：宵点的从端口收到白己发出的h e l l o 报文，表明环网故障 恢复，应切换至c o m p l e t e 状态，阻塞从端口，刷新本 = 点m a c 表项，并从主端口发送r i n g u p f l u s h f d b 报文： 1 3 武汉邮电科学研究院硕十学位论文 3 1 4 2 传输节点状态转换关系 表3 2 传输( 边缘) 节点状态转换关系 状态名称功能描述 i u p 状态a ) 传输二侮点的主端口和副端口( 或者边缘肖点的边缘端口) 都 处于u p 状态时，应进入此状态； b ) 当传出：肖点的其中一个端口处丁唧n 状态时，应从无故障的 其他端口发送l i n k - d o w n 报文，并切换至d o w n 状态 i i d 0 w n 状态a ) 可选地，当传输1 ，点收到本环主：肖点发送的c o m p l e t e 状态的 h e l l o 报文。应从无故障的端口发送l i n i 【一d 0 1 n 报文； b ) 可选地，处i d o w n 状态的传输节点，可以定时从无故障的端 口发送l i n k d o w n 报文( 缺省为i o s ) ： c ) 当相邻链路恢复时，应将对应端口置为p r e - f o r w a r d i n g 状 态，阻塞数据v l a n 的传输，传输：仃点虑切换至 p r e f o r w a r d i n g 状态。 i i i p r e f o r w a r d i n g 状态a ) 可选地，当处丁p r e f o r w a r d i n g 状态的传输：i l j 点收剑本环主 节点发送的c o m p l e t e 状态的h e l l o 报文，应放开对应端口的 阻塞状态，并切换至u p 状态； b ) 当处于p r e f o r w a r d i n g 状态的传输：1 7 点收到本环土：肖点发 送的r i n g u p f l u s h f d b 报文，应放开对应端口的阻塞状态， 并切换至u p 状态； c ) 当处于p r e - f o r w a r d i n g 状态的主环传输：仃点的f a i l e d 定时 器超时，应放开对应端口的阻塞状态，并切换至u p 状态： d ) 应停j ：处于p r e - f o r w a r d i n g 状态的子环传输：肖点的f a i l e d 定时器； e ) 可选地，当处于p r e f o r w a r d i n g 状态的传输：宵点收到本环其 他：肖点发送的l i n k d o w n 报文，应放开对应端口的阻塞状态， 并切换至u p 状态； 3 2c e s r 的路径保护原理 3 2 1以太网环路保护协议单环运行机制 单环的各个节点对环的链路进行检测和保护，保持环上任意两个节点的保护业务 1 4 武汉邮电科学研究院硕十学位论文 v l a n 的数据通信最多有一条连通的逻辑路径，并且单坏的以太坏网控制报文只会在 单环内传输。 3 2 1 1以太环网单环保护无故障状态的运行机制 当单环上所有链路都处于l i n k - u p 状念时，环网处于健康状态，主节点处于 c o m p l e t e 状态。为了防止数据报文形成广播环路，主节点应阻塞其从端口的保护 v l a n 转发功能，使得保护v l a n 中的数据不能通过该端口。主节点从其主端口周 期性的发送h e l l o 报文，依次经过各传输节点，最后从主节点从端口回到主节点。 如图3 1 所示，主节点s 2 周期的发送h e l l o 报文，因为环路无故障，h e l l o 报文 到达主节点的从端口，主节点阻塞了从端口的保护v l a n 的数据转发功能，防止环 路产生。+ 端口阻塞保护v l a n 数据 图3 1 单环保护无故障状态示意图 3 2 1 2以太环网单环保护链路故障的处理 单环上的各传输节点总是在监测自己的端口链路状态，当环网中的某条链路发生 故障，链路两端的节点检测出端口d o w n ，应即刻从另外一个无故障端口发送 l i n k - d o w n 报文把这种变化通知主节点。主节点收到该报文后，应立即迁移到f a i l e d 状态，放开从端口并刷新f d b ，并分别从主、从两个端口发送 r i n g d o w n f l u s h f d b 报文通知坏网上所有传输节点刷新f d b 。如果检测到故 1 5 武汉邮电科学研究院硕十学位论文 障链路的节点是主节点，则主节点直接检测到了环上发生故障，应即刻做状态倒换并 从另一个无故障端口发送r i n gd o w nf l u s hf d