（计算机应用技术专业论文）elrp协议在交换机上的设计和实现.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 以太网技术已经不仅仅广泛应用于局域网，而且在不断向城域网领域渗透。万兆以太 网技术的成熟使得以太网技术在城域网中应用成为可能，而目前万兆以太网技术的可靠 性、服务质量( q o s ) 的研究使得以太网技术应用于城域网更加可行。由于以太网技术天生 在q o s 、可管理性、可靠性等方面存在缺陷，使用生成树协议( s t p ) 和虚拟路由冗余协 议( v r r p ) 等可靠性技术存在链路切换时间长，适用环境局限等缺点。r f c 3 6 1 9 提出了解决 二层环路问题方案，它能通过提供简单链路检测和环路监测等手段，实现了在设备故障和 链路故障时快速的保护切换和链路冗余备份的功能。本文在对r f c 3 6 1 9 进行深入研究和分 析的基础上，对实现的细节进行充实，形成了以太网链路冗余备份协议( e l r p ) 的主体， 本文对e l r p 进行了详细的设计和实现，并提出了分层同域方法以解决了r f c 3 6 1 9 所存在 的复杂环网环境下的广播风暴问题。e l r p 协议工作在以太环网，在设备和链路故障时能 在几十毫秒数量级内实现链路的保护切换，多域配置更可以实现多链路备份，以及业务流 量的负载均衡、带宽重用。多环配置可以解决复杂环网拓扑结构下的链路备份保护。该协 议能弥补s t p 协议链路切换时间比较长的缺陷，并有着同步数字体系( s b h ) 环网的弹性 和快速实现链路切换的优点。 本文首先扼要介绍了万兆以太网技术，着重论述了万兆以太网技术在城域网应用中优 势和问题，在对同步数字体系( s d h ) 等城域网技术和虚拟路由冗余协议( v r r p ) 等可靠性技 术的相关研究基础上，比较了它们在环网组网和链路冗余备份方面的优缺点。分析和研究 了r f c 3 6 1 9 的基本原理，在此基础上实现了e l r p 的主要功能，然后对复杂环网中实现e l r p 进行了专门的探讨，提出了分层同域方法，解决了r f c 3 6 1 9 所存在的复杂环网环境下的广 播风暴问题。论文给出了e l r p 协议在集中式和分布式架构交换机上的实现方案，包括需 求分析、系统建模、方案设计和实现、功能性能测试等。最后讨论了一些遗留问题，并指 出下一步的研究方向。 关键词：以太环网，以太网链路冗余备份协议，集中式交换机，分布式交换机 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t e t h e r n e tt e c h n o l o g yh a sn o to n l yb e e nw i d e l yu s e di nl a n ，b u ta l s oi n f i l t r a t ei n t ot h e m a n a tp r e s e n t ，t h er e l i a b i l i t yo ft h e10g i g a b i te t h e m e tt e c h n o l o g ya n dq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) m a k ee t h e r n e tt e c h n o l o g ym o r ef e a s i b l ef o rm a n s i n c ee t h e r n e tt e c h n o l o g yh a sd e f e c t i nq o s ，m a n a g e a b i l i t y , r e l i a b i l i t ye t c ，t h es p a n n i n gt r e ep r o t o c o l ( s t p ) a n dv i r t u a lr o u t i n g r e d u n d a n c yp r o t o c o l ( v r r p ) l i i 呔h a v el o n gs w i t c h i n gt i m ea n dl i m i t e da p p l i c a t i o n e n v i r o n m e n t ，b yp r o v i d i n gas i m p l el o o pd e t e c t i o na n dm o n i t o r i n gt o o l s ，r f c 3 6 19a d d r e s st h e i s s u eo ft w o - l o o p i th a sf a s tp r o t e c t i o ns w i t c h i n ga n db a c k u pf u n c t i o n sw h ，e nt h e r ei sa m a l f u n c t i o ni ne q u i p m e n ta n dl i n k o nt h eb a s i so ft h ed e e pr e s e a r c ha n da n a l y s i sw i t ht h e r f c 3 619 ，t h i sp a p e re n r i c h e s ：t h er e a l i z e dd e t a i l s ，f o r m i n gt h em a i nb o d yo fab a c k u pe t h e m e t l i n kr e d u n d a n c ya g r e e m e n t ( e l r p ) t h ep a p e rs h o w st h ed e t a i l e dd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n o ne l r p , a n dp u tf o r w a r dal a y e r e dd o m a i na p p r o a c hw h i c hr e s o l v et h eb r o a d c a s t i n gt u r m o i l p r o b l e m si nc o m p l i c a t e dl o o pn e t w o r ke n v i r o n m e n tt h er f c 3 6 19h a s e l r pw o r k si ne t h e m e t l o o pn e t w o r ke n v i r o n m e n t ，i nt e n so fm i l l i s e c o n d sm a g n i t u d ei tc a nr e a l i z el i n kp r o t e c t i o n s w i t c hw h e nt h e r e se q u i p m e n ta n dl i n kf a i l u r e s m u l t i - l i n km u l t i - d o m a i nc o n f i g u r a t i o nc a n b a c k u pa n dt r a f f i cl o a db a l a n c i n g ，b a n d w i d t hr e u s e m u l t i l o o pc o n f i g u r a t i o no fc o m p l e x n e t w o r kt o p o l o g yc a nb er e s o l v e du n d e rt h ec h a i n sb a c k u pp r o t e c t i o n t h i sp a p e rb r i e f l yp r e s e n t st h e10g i g a b i te t h e r n e tt e c h n o l o g y , f o c u s e so nt h ea p p l i c a t i o n o ft h e10 - g i g a b i te t h e r n e tt e c h n o l o g ya d v a n t a g e sa n dp r o b l e m so nt h es y n c h r o n o u sd i g i t a l h i e r a r c h y ( s d h ) t e c h n o l o g ya n dv r r pa g r e e m e n tm a n ( v r r p ) r e l i a b i l i t yt e c h n o l o g y , b a s e do nac o m p a r i s o ni nc e n t r a ln e t w o r kb a c k u pa n dr e d u n d a n c yi nt h es t r e n g t h sa n d w e a k n e s s e s t h i sp a p e rp u t st h ea n a l y s i so nt h eb a s i cp r i n c i p l e so fr f c 3 619a n dt h em a i n f u n c t i o no fe l r p r f c 3 619s o l v et h ee x i s t i n gc o m p l e xn e t w o r ke n v i r o n m e n to ft h ec e n t r a l b r o a d c a s t i n gt u r m o i l t h i sp a p e rp r e s e n t sac e n t r a l i z e da n dd i s t r i b u t e di ne l r pa g r e e m e n t o n t h ef r a m e w o r kf o rt h e r e a l i z a t i o no fe x c h a n g ep r o g r a m s ，i n c l u d i n gn e e d sa n a l y s i s ，s y s t e m m o d e l i n g ，d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ff u n c t i o n a lp e r f o r m a n c et e s t s f i n a l l y , t h i st h e s i s d i s c u s s e ss o m er e m a i n i n gp r o b l e m s ，a n dg i v e st h ef u t u r er e s e a r c ht a s k s k e y w o r d s ：e t h e m e tr i n gn e t w o r k ，e l r p , c e n t r a l i z e ds w i t c h ，d i s t r i b u t e ds w i t c h i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 缩略词 缩略词 n o缩略词英文全称译文 l e l r p e t h e r n e tl i n kr e d u n d a n c yp r o t o c o l以太链路冗余备份协议 2 b r a s b r o a d b a n dr e m o t ea c c e s ss e r v e r宽带远程接入服务器 3 s r s e r v i c er o u t e r 业务路由器 4 $ y n c h r o n o sd ig it a lh ie r a r c h y同步数字体系 s d h 5 s t p s p a n nin gt r e e p r o t o c o l生成树协议 6 m u l t i p l es p a n n i n gt r e ep r o t o c o l多生成树协议 m s t p 7 r a p ids p a n n in gt r e ep r o t o c o l快速生成树协议 r s t p 8 s o n e t s y n c h r o n o u so p t i c a ln e t w o r k同步光网络 9 v l a n vir tu a lb rid g e dl o c a la r e an e t w o r k s虚拟局域网 l o m a c m e d i aa c c e s sc o n t r o l媒体访问控制 11 v r r p v i r t u a lr o u t e rr e d u n d a n c yp r o t o c o l虚拟路由冗余协议 1 2 e a p s e t h e r n e ta u t o m a t i cp r o t e c t i o n以太网自动切换保护 s w it c h i n g 1 3 e l r p e t h e r n e tl i n kr e d u n d a n c yp r o t o c o l以太网链路冗余备份协议 1 4 c s i a c d c a r r i e rs e n s e m u l t i p l e带有冲突检测的载波侦听 a c c e s s t o l l i s i o nd e t e c t e d多路访问 1 5 o s p f o p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t开放式最短路径优先协议 1 6 e q u a l 。c o s tm u lti p a t hr o u tin g等价多路径路由 e c m p 1 7 s r p s p a t i a lr e u s ep r o t o c o l 空间复用协议 1 8 r p r r e s i l i e n tp a c k e tr i n g弹性分组环 1 9 m p m a n a g e m e n tp r o c e s s o r主控处理单元 2 0 n p n e t w o r kp r o c e s s o r网络处理单元 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：邀日期：学夕 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名： 互耄拯导师签名： 避魄牡 南京邮电大学硕士研究生学位论文 引言 日i 吉 ，1日 随着宽带用户数的不断增长以及以i p t v 为代表的新业务的陆续推出，i p 城域网作为 i p 承载网的重要一环，其地位越来越重要。另外，随着软交换的引入以及3 g 网络全i p 化的演进趋势，对于目前的城域网，无论从性能、功能上都提出了更高的要求。所以，对 城域网的优化改造已经成为各大固网运营商i p 网络建设的热点问题。 i p 城域网分为城域骨干网和宽带接入网，城域骨干网包括核心路由器和业务接入控 制层的宽带远程接入服务器( b r a s ) 、业务路由器( s r ) 设备，骨干网以下和用户接入以 上的二层网络属于宽带接入网。网络层的优化相对容易，通过部署质量保证( q o s ) 和多 种标记协议交换( m p l s ) 来提升其对业务的支撑能力，利用b r a s 和s r 构建清晰的i p 城 ： 域网边缘，形成业务接入控制层，实现业务的集中提供和控制。i p 城域网的结构如图1 所示【1 】。虽然宽带接入网的优化改造是提升端到端网络能力的基础，但是实施的困难非常 大：一方面是因为二层网络本身技术上的先天不足；另一方面是由于二层网络覆盖面广， 对于运营商来说涉及的投资巨大。因此，如何建设宽带接入网已成为运营商、设备供应商 目前关注的焦点问题。 城 域 骨 干 网 宽 带 接 入 网 城域骨干网 图1i p 城域网的结构示意 南京邮电大学硕士研究生学位论文引言 由于以太网成本低、扩展简单，因此在用户接入和汇聚层面得到广泛应用，是宽带接 入网中的主流技术。但是，随着承载i p t v 、语音等实时性业务需求的不断增加，以太网 保护手段弱的问题逐渐凸显。传统以太网使用生成树协议( s t p ) 实现一定的保护，但其 配置复杂、恢复时间比较长。但是以太网技术将会不断改进和创新，增强电信级的性能和 功能，向城域网扩展。可以预料到的基本趋势是：电信级以太网技术将会大量侵蚀传统 s d h 和路由器在城域网接入汇聚层的市场1 2 】。 以太网技术向城域网渗透的主要原因还有如下几方面：其已有巨大的网络基础和长期 的经验知识、目前所有流行的操作系统和应用也都是与以太网兼容的、初始成本和运营成 本均较低、扩展性好、容易安装开通以及高可靠性等。以太网接入采用异步工作方式，很 适于处理i p 突发数据流，再就是以太网的扩展性也很好，可以迅速按需以1m b i t s 的带 宽颗粒逐步提供所需的带宽直至l o g b i t s 。也就是说，容量可以从l o m b i t s 一直扩展到 ： l o g b i t s 而不会影响诸如三层选路和多层智能交换，包括q o s 、高速缓存、服务器负荷均 衡、安全和基于策略的联网能力等。 随着万兆以太网等技术的越来越成熟，将以太网技术应用于城域网已经不再是不可 能，然而，原来以太网毕竟是用于局域网的，为了将其用于城域网环境，电信级以太网的 概念应运而生，其基本思想是结合传统以太网的简单、低成本和下一代s d h 网的高性能、 可靠性和电信级网管。也就是说，以太网技术在质量保证( q o s ) ，可管理性，可靠性等方 面存在的缺陷不可避免地要面对改进和创新，近来一些新的研究和技术的诞生，对于将以 太网技术更好地应用于城域网领域提供了不少参考。电信级以太网技术的特点是维持现有 以太网技术转发层面的实现方式( 封装、转发) ，在控制层面增加新的特性，提供更快速 可靠的保护和链路冗余备份，本文在这方面做了一些工作。 课题背景和论文工作： 本文的主要工作是在中兴通讯z x r i o 项目组进行的，项目组为本文的工作提供了良好 的实验条件和工作环境。z x r i o 高端交换机是中兴通讯承担的国家8 6 3 项目的研发成果， 获得信息产业部高端交换机入网证，在众多国内外运营商及企业网中得到广泛应用。 链路快速切换保护和冗余备份功能是以太交换机要实现的重要功能之一，而基于 r f c 3 6 1 9 的e l r p 协议的实现可以满足该功能需求，本文对e l r p 的设计和实现扩充了交换 机的二层功能，提升以太环网的可用性和稳健性。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文引言 本文工作主要包括以下几个方面： 1 本文在对同步数字体系( s d h ) 等城域网技术和虚拟路由冗余协议( v r r p ) 等可靠性 技术的相关研究基础上，分析了它们在环网组网和链路冗余备份方面的优缺点。 2 本文在对r f c 3 6 1 9 进行深入研究和分析的基础上，对实现的细节进行充实，形成 了以太网链路冗余备份协议( e l r p ) 的主体，本文对e l r p 进行了详细的设计， 并提出了分层同域方法以解决了r f c 3 6 1 9 所存在的复杂环网环境下的广播风暴问 题。 3 在v x w o r k s 系统下实现e l r p 协议，综合考虑交换机集中式应用以及分布式应用， 考虑了与其它已有模块的交互，最后编码实现了该协议。 4 对该协议模块相关功能和性能进行了全面的测试，在2 0 0 6 年9 月召开的第五届 世界以太大会上，开放式测试中最短仅为2 4 毫秒的链路切换收敛时间以及实现 承载i p t v 业务o o s 高要求的能力【3 】，表明该协议具备城域网应用高可靠性的要 求。 本文结构如下：第一章首先扼要介绍万兆以太网技术，着重论述了万兆以太网技术在 城域网应用中优势和问题，在对同步数字体系( s d h ) 等城域网技术和虚拟路由冗余协议 ( v r r p ) 等可靠性技术的相关研究基础上，比较了它们在环网组网和链路冗余备份方面的优 缺点。第二章阐述e l r p 的基本原理，因为它与r f c 3 6 1 9 有密切的关系，因此部分内容直 接引用了r f c 3 6 1 9 的相关资料。第三章在介绍e l r p 协议的运行机理和技术以后，给出了 e l r p 协议在在集中式和分布式架构交换机上的实现方案。第四章对复杂环网中实现e l r p 进行了专门的探讨，提出了分层同域方法，解决了r f c 3 6 1 9 所存在的复杂环网环境下的广 播风暴问题。第五章对本文所实现的协议系统地进行了全面的功能和性能方面的测试。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章以太网链路冗余备份技术相关研究 第一章以太网链路冗余备份技术相关研究 以太网技术的快速发展，使其应用于城域网成为可能，但是迫切地需要研究以太网 的可靠性技术以满足城域网较高的网络可靠性的要求。 本章首先概述万兆以太网技术，然后在对同步数字体系( s d h ) 等城域网技术和虚拟路 由冗余协议( v r r p ) 等可靠性技术的相关研究基础上，分析了它们在环网组网和链路冗余备 份方面的优缺点然后分析其在城域网应用中的优势和问题，由于以太网技术天生的在 o o s 、可管理性、可靠性等方面存在缺陷，目前的生成树协议( s t p ) 和虚拟路由冗余协议 ( v r r p ) 等可靠性技术存在链路切换时间长，适用环境局限等缺点，需要新的技术来实现以 太链路的快速切换和链路冗余备份，提高以太网的可靠性。 ： 1 1 万兆以太网技术 众所周知，从1 9 8 3 年以来，局域网领域是以太网技术( 8 0 2 3 ) 与令牌总线( 8 0 2 4 ) 、 令牌环( 8 0 2 5 ) 三分天下。但随着时间的推移，这种局面渐渐变成了现在以太网一家独 秀。以太网技术从全双工以太网、百兆以太网、8 0 2 3 u 快速以太网标准到现在的万兆以 太网，以太网技术所以能如此长足发展，绝非偶然，都是“科技适应社会需要 的表现。 以太网技术的持续改进满足了用户不断增长的需求，以太网技术在发展过程中得到了 不断的改进，如物理介质从粗同轴电缆到细同轴电缆、双绞线、光纤的扩展，网络功能从 共享以太网到全双工、交换以太网的进步，传输速率从i o m 到1 0 0 m 、1 0 0 0 m 乃至1 0 g 的提 升，极大地满足了广大用户对各类应用的需求。由于万兆以太网基于以太网技术，因此万 兆以太网是目前唯一能够从以太网最初的l o m b p s 速度无缝扩展到l o g b p s 速率的网络技 术。 1 1 1 万兆以太网技术概述 万兆以太网协议与传统的以太网协议保持兼容，它仍使用与现有以太网同样的媒体访 问控制协议( m a c ) 、同样的可变长帧格式和同样的最小和最大帧长度( 6 4 至1 5 1 4 字节分组) 以及同样的帧格式。然而，与此前的以太网标准不同的是，i o g e 标准将只工作于光纤介 质上，因此可将以太网技术的应用进一步扩展到m a n 和w a n 领域。此外，万兆以太网将只 工作在全双工模式，这意味着可以同时发送和接收信号。其物理层( p h y ) 和o s i 模型的 4 雨京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章以太网链路冗余备份技术相关研究 第一层( 物理层) 一致，它负责建立传输介质( 光纤或铜线) 和m a c 层的连接，m a c 层相 当于o s i 模型的第二层( 数据链路层) 。在网络的结构模型中，把p h y 进一步划分为物理 介质关联层( p m d ) 和物理代码子层( p c s ) 。光学转换器属于p m d 层。p c s 层由信息的编 码方式( 如6 4 b 6 6 b ) 、串行或多路复用等功能组成【4 1 。 以太网是建立在带有冲突检测的载波侦听多路访问( c s m a c d ) 机制上的广播型网络。 冲突的产生是限制以太网性能的重要因素，早期的以太网设备如集线器是物理层设备，不 能隔绝冲突扩散，限制了网络性能的提高。而交换机( 网桥) 做为一种能隔绝冲突的二层 网络设备，极大的提高了以太网的性能。然而交换机( 网桥) 对网络中的广播数据流量则 不做任何限制，这也影响了网络的性能。通过在交换机上划分v l a n 和采用三层的网络设 备一路由器解决了这一问题【5 j 。 组网结构可以采用环型拓扑结构：环型结构由网络中若干节点通过点到点的链路首 尾相连形成一个闭合的环，这种结构使公共传输电缆组成环型连接，数据在环路中沿着一 个方向在各个节点间传输，信息从一个节点传到另一个节点。环型结构具有如下特点：信 息流在网中是沿着固定方向流动的，两个节点仅有一条道路，故简化了路径选择的控制； 环路上各节点都是自举控制，故控制软件简单；由于信息源在环路中是串行地穿过各个节 点，当环中节点过多时，势必影响信息传输速率，使网络的响应时间延长；环路是封闭的， 不便于扩充：可靠性低，一个节点故障，将会造成全网瘫痪：维护难，对分支节点故障定 位较难i 引。 万兆以太网的技术特色和显著特征【7 】： 第一，万兆以太网技术基本承袭了以太网、快速以太网及千兆以太网技术，因此在用 户普及率、使用方便性、网络互操作性及简易性上皆占有极大的引进优势。在升级到万兆 以太网解决方案时，用户不必担心既有的程序或服务是否会受到影响，升级的风险非常低， 同时在未来升级至t 4 0 g 甚至i o o g 都将是很明显的优势。 第二，万兆标准意味着以太网将具有更高的带宽( 1 0 g ) 和更远的传输距离( 最长传输 距离可达4 0 公里) 。 第三，在企业网中采用万兆以太网可以最好地连接企业网骨干路由器，这样大大简化 了网络拓扑结构，提高网络性能。 第四，万兆以太网技术提供了更多的更新功能，大大提升o o s ，具有相当的革命性，因 此，能更好的满足网络安全、服务质量、链路保护等多个方面需求。 万兆以太网还有十分明显的应用特征： 第一，万兆以太网结构简单、管理方便、价格低廉。由于没有采用访问优先控制技术， 5 ； 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章以太网链路冗余备份技术相关研究 简化了访问控制的算法，从而简化了网络的管理，并降低了部署的成本，因而得到了广泛 的应用。 第二，过去有时需采用数个千兆捆绑以满足交换机互连所需的高带宽，因而浪费了更 多的光纤资源，现在可以采用万兆互连，甚至4 个万兆捆绑互连，达至l j 4 0 g 的宽带水平。 第三，采用万兆以太网，网络管理者可以用实时方式，也可以用历史累积方式轻松地 看到第2 层到第7 层的网络流量。允许“永远在线 监视，能够鉴别干扰或入侵监测，发现 网络性能瓶颈，获取计费信息或呼叫数据记录，从网络中获取商业智能。 第四，以太网的可平滑升级保护了用户的投资，以太网的改进始终保持向前兼容，使 得用户能够实现无缝的升级，一方面不需要额外的投资升级上层应用系统，也不影响原来 的业务部署和应用。 1 1 1 2 万兆以太网技术在城域网应用中的优势和问题 万兆以太网技术基本承袭了以太网、快速以太网及千兆以太网技术，因此在用户普及 率、使用方便性、网络互操作性及简易性上皆占有极大的引进优势。随着网络应用的深入， 广域网( w a n ) 、城域网( m a n ) 与局域网( l a n ) 融和已经成为大势所趋，各自的应用领域 也将获得新的突破，而万兆以太网技术让工业界找到了一条能够同时提高以太网的速度、 可操作距离和连通性的途径，万兆以太网技术的应用必将为三网发展与融和提供新的动 力。 城域网建设的深入，各种丰富的内容业务( 如各种流媒体视频应用、多媒体互动游戏) 纷纷出现，对城域网带宽提出更高需求，而使用传统的s d h 、d w d m 等技术作为骨干存在网 络结构复杂、难于维护、建设成本高等问题，在城域网的骨干层部署i o g e 可以简化网络结 构，降低部署成本，便于维护，通过端到端以太网来打造低成本、高性能、具有丰富业务 支持能力的城域网。 由于万兆以太网技术是过去以太网技术的延伸，完全兼容原有网络，支持原有应用，。 因此在既有的网络市场上，尤其是宽带需求较为殷切的城域网市场上将会有较大的发挥空 间，同时，由于以太网与s o n e t ( 同步光网络) s d h 在长期的发展中有相当的价格优势， 而万兆以太网又支持与s o n e t s d h 基础架构的无缝连接能力，这使得过去一直是s o n e t s d h 垄断的城域网市场出现了新的竞争者。 s d h 技术在城域网中应用很广泛，长距离的传输、几十毫秒数量级的的环自愈、基于 电路交换的高q o s 等都是s d h 技术的特点和优势，但是万兆以太网技术的出现动摇了s d h 6 雨京邮电大学硕二i ：研究生学位论文第一章以太网链路冗余备份技术相关研究 ( s o n e t ) m s t p 的阵地。城域以太网的传输距离已经不是问题，伴随着i p 技术的成长， q o s 问题一直遭受着各种技术流派的置疑和攻击，电路交换、a t m 、s d h 常常对以太网的 q o s 问题进行指责i s 。因为以太网天生的在q o s 质量保证，可管理性，可靠性等方面存在 的缺陷，所以有必要对以太网可靠性技术进行研究。下面两节将讨论常用的城域网技术和 可靠性技术。 1 1 2 城域网技术研究 s d h 技术和p r p 技术在城域网中应用比较广泛，主要技术特点在下面两节单独讨论。 1 2 1 s d h 技术 s d h 传送网是由一整套分等级的标准传送结构组成的，适用于各种经适配处理的净负 荷在光纤、微波、卫星等物理媒质上进行传送。该标准于1 9 8 6 年成为美国数字体系的新 标准s o n e t ，国际电信联盟标准部( i t u - t ) 1 9 8 8 年将s o n e t 修订后重新命名为同步数字系 列( s d h ) ，使之成为同时适用于光纤、微波、卫星传送的通用技术体制。 遵循s d h 标准的同步传输设备均内置了自动保护倒换( a p s ) 算法和性能告警监视 功能，它们能保证线形点对点和同步环形拓扑网络结构在网络故障条件下具备自愈能力。 当发生设备故障或光纤断路时，线形和环形s d h 网络中的自动保护倒换可以确保数据的完 整性和维持服务质量( q o s ) 【9 】。 对于大城市地区和全局长途路由，普遍使用环形网络。这种环形结构的保护机制是： 即使一段线路( 例如a b ) 双向被彻底切断，但通过倒换和桥接信号仍能在a 和b 之间沿 环路重新建立长距离路由，使双向传输重新接通。a b 方向连接称作“短路径”，长方向 传输称作“长路径”。可见，为了提供这种保护机制，在建立传输系统时必须备用5 0 的 传输容量。 1 2 2r p r 技术 弹性分组环技术( r p r ) ，采用了一种全新的机制，在光纤上直接传输i p 包，而其m a c 层地址采用空间复用m a c 地址。空间复用协议( s r p ) ，是一种与媒体无关的m a c 层协议， 可以用于各种物理层技术之上。r p r 环网是由逆向双环组成，一个为顺时针方向，一个为 逆时针方向，双环都可以同时传输数据和控制信息，其中内环的控制信息控制外环的数据， 外环的控制信息控制内环上的数据： r p r 的设计目标是提供5 0 m s 的电信级的保护，r p r 提供两种不同的倒换方式，即源路 由( s t e e r i n g ) 和回绕( w r a p p i n g ) 方式，其中源路由方式必须支持，回绕方式可选支持。 图卜1 分别是两种倒换方式的示意副1 0 】： 7 南京邮电大学硬士研究生学位论文 第一章以太同链路冗采备份技术相关研究 图卜ir p r 的保护倒换 回绕方式的倒换：这种倒换方式比较简单，当环路上的某个地方发生故障时，在发生 故障附近的节点处自动环回，即把内环和外环连在一起，通过协议在相邻失效节点之间进 行。回绕方式的特点是倒换速度快，基本没有数据丢失，但是缺点就是浪费环网的带宽， 使得数据流走很多弯路。 源路由方式的倒换：当环路上的某个地方发生故障时数据流不需要从发生故障的的 地方环回该故障点和类型的信息会发送到每个节点，拓扑也相应更改，源节点只需要直 接按新的拓扑进行路径选择，井根据新的路由发送数据给目的节点，已经发出的小部分数 据将在故障点被丢弃。源路由方式的特点是带宽利用率高，但是倒换的速度慢，在计算路 由时会造成数据的丢失。 1 3 网络可靠性技术研究 下面相关研究了常用的可靠性技术，包括t - - 层三层的相关技术，分析它们的技术特 点、应用场合、技术的忧缺点等。 131 等价路由一一开放最短路径优先等价多路径 技术：o s p fe c m p i 川采用o s p f 第三层路由协议制订业务转发策略。采用o s p f 多路径的网 络一直把业务路由到网络边缘，在每台边缘交换机上都支持一个或多个唯一的i p 网络。 当有多条路由可以到达同一个目的地时，o s p f 将根据与每条路由有关的路由成本制订路 由策略。o s p f 不同于距离向量协议，距离向量协议严格依赖跳数。“多路径”是指到达指 定目的地有两条或者两条以上的等价路径。在存在等价路径时，多路径会检验目的i p 地 址和可用的网络上连数量，并制订转发第略。所有的流将在多条路径中平均分布，保证扩 充能力。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章以太网链路冗余各份技术相关研究 应用：建设高度可用、高度可扩充的网络可能极具挑战性。在使用第二层网络时，实现 的冗余机制是设计过程中的决定因素。通过使用开放最短路径优先( o s p f ) 等价多路径路由 ( e c m p ) ，网络管理员在创建网络时就可以不考虑第二层机制，如生成树协议，直接在第三 层网络主干和边缘之间增加更多的链路实现扩容，网络具有更高的可扩充性。 优点和缺点：o s p f 多路径网络消除了任何与第二层冗余方法有关的所有问题。多路径还 使网络管理员能够全面控制部署i p 网络的环境，并通过在交换机之间增加多条链路，提 供了一种简单的扩大带宽的方式。但是，多路径网络的配置要复杂得多，因为每条链路都 是一个点到点可路由的网络。 1 3 2v r r p 协议 技术：v r r p 协谢忆】是为用于使用静态地址或d h c p 环境中而设计的，这些环境中需要一个 静态的默认网关。采用竞选的方法选择主路由器。中选者使用虚拟的m a c 地址作为客户端 默认网关的路由器m a c 地址。当主路由器正常工作时，它会每隔一段时间发送一个v r r p 多播报文，称为广告报文，以通知备份路由器，主路由器处于正常工作状态。如果组内的 备份路由器长时间没有接收到来自主路由器的报文，则将自己状态转为主用交换机。如果 信息中断，那么备份交换机将接管任务。 应用：对任何网络来讲，冗余和网络故障恢复都是关键的设计考虑因素。网络需要以较 快的速度在边缘或主干的交换机发生故障后立刻恢复，在传统上，人们通常结合使用第二 层和第三层冗余协议来解决这个问题。人们常把第三层的虚拟路由冗余协议 ( v r r p ) ( r f c 2 3 3 8 ) 或h s r p ( c i s c o 私有协议) 等协议与第二层的生成树协议( 8 0 2 1 d ) 结合起 来，创建一个完全冗余的解决方案。v r r p 是一种容错协议，采用虚拟路由冗余技术，能 对主机的下一跳静态路由进行备份，保证当下一跳路由的主用路由器失效时，可以及时地 由另一台备份路由器来替代，从而保持通讯的连续性和可靠性。为了使v r r p 工作，要在 主备路由器上配置相同的虚拟路由器号和虚拟i p 地址，同时产生一个虚拟m a c 地址，这 样这二个路由器就形成了互为冗余备份的功能。而网络上的主机与虚拟路由器通信，无需 了解这个网络上物理路由器的任何信息【l 3 1 。 优点和缺点：v r r p 不能防止在网络接入层上发生的环路，因此在配线间中不能把交换机 连接在一起。 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章以太网链路冗余备份技术相关研究 1 3 3 二层技术s t p m s t p r s t p 1 町 技术：运行生成树算法的网桥交换机在规定的间隔( 默认2 秒) 内通过网桥协议数据 单元( b p d u ) 的组播帧与其他交换机交换配置信息，其工作的过程如下： 通过比较网桥优先级选取根网桥( 给定广播域内只有一个根网桥) 。 其余的非根网桥只有一个通向根交换机的端口称为根端口。 每个网段只有一个转发端口。 根交换机所有的连接端口均为转发端口。 运行生成树协议的交换机上的端口，总是处于下面四个状态中的其中一个状态。在正 常操作期间，端口处于转发或阻塞状态。当设备识别网络拓扑结构变化时，交换机自动进 行状态转换，在这期间端口暂时处于监听和学习状态。 阻塞：所有端口以阻塞状态启动以防止回路。由生成树确定哪个端口转换到转发状态， 处于阻塞状态的端口不转发数据但可接受b p d u 。 监听：不转发，检测b p d u ，( 临时状态) 。 学习：不转发，学习m a c 地址表( 临时状态) 。 转发：端口能转送和接受数据。 当网络的拓扑结构发生改变时，生成树协议重新计算，以生成新的生成树结构。当所 有交换机的端口状态变为转发或阻塞时，意味着重新计算完毕。这种状态称为会聚。 r s t p 和m s t p 是在s t p 基础上的发展，为加速网络融合并解决与生成树和v l a n 交互 相关的地址可扩展性限制的问题提出的。 应用：在建设数据网络时，高可用性一直是关键因素。在网络中的交换机或链路发生故 障时，快速恢复能力对保证客户满意度及企业效率非常关键。在传统上，建设第二层网络， 如数据中心或桌面网络，通常要求使用生成树。生成树协议最初是为了避免环路引起网络 发生故障而研制的，近一段时间中，生成树一直被标榜为一种网络冗余机制。遗憾的是， 生成树的超长恢复时间使其不适合作为建设冗余容错网络的工具【1 5 】。 优点和缺点：应用广泛，但是倒换时间长。 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章以太网链路冗余备份技术相关研究 1 4 结论 本章在对同步数字体系( s d h ) 等城域网技术和虚拟路由冗余协议( v r r p ) 等可靠性技术 相关研究的基础上，分析了它们在链路冗余备份方面的优缺点，发现目前的生成树协议 ( s t p ) 和虚拟路由冗余协议( v r r p ) 等可靠性技术存在链路切换时间长，适用环境局限等 缺点，所以需要实现一个能满足链路快速切换保护、解决环路问题、实现链路冗余备份的 协议，来满足以太网技术在城域网中应用的高可靠性要求。所以，下面几章在对r f c 3 6 1 9 ( 解决二层环路问题方案) 进行的研究和分析的基础上，对r f c 3 6 1 9 做了改进，提出了分 层同域方法，解决了r f c 3 6 1 9 所存在的复杂环网环境下的广播风暴问题。设计和实现了以 太网链路冗余备份协议( e l r p ) 。它能通过提供简单链路检测和环路监测等手段，实现了 在设备故障和链路故障时能够快速的保护切换和链路冗余备份功能。下表1 - 1 对比了以太 环网、r p r 环网和s d h 环网的技术特点： 表卜1 三种城域环网技术比较【1 6 1 以太环网 r p r 环网s d h 环网 类型以太环网r p r 环网s d h 环网 标准成熟度上层业务标准不成熟 成熟 协议支持e l r p 协议( 下章讨论) s r p 协议p p p 协议 设备支持无需另加设备长距离需要传输设备长距离需要传输设备 收敛速度几十毫秒数量级几十毫秒数量级的几十毫秒数量级的 逻辑拓扑点到点，不成环双环 单环 带宽机制i p 的o o s静态配置 公平算法 光纤利用率点到点，不是环网 5 0 9 65 0 配置管理配置简单配置复杂配置较复杂 节点数无限对愈合时间有影响无限最大2 5 6 可以得到下面的结论：在以太环网上使用e l r p 协议将满足跟另外两种环网差不多的 收敛速度( 几十毫秒数量级保护倒换时间) ，而其在配置管理上面将要比其它两种环网技 术更简单，而且在长距离传输的时候不需要增加传输设备，更重要的是以太技术的成本低， 更易扩展，更适合大规模的应用。 、 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章e l r p 基本原理 第二章e l r p 基本原理 设计该协议旨在提升以太环网的可用性和稳健性，使用e l r p 技术组成的环网可以拥 有像s d h 环网的弹性，并且比s d h 环网有更低的价格优势和较少的局限性。比较可以知道 v r r p 协议工作在网络层实现基本路由冗余备份，提供简单检测和竞选机制实现设备故障 或者链路故障时备份切换。而e l r p ( e t h e r n e tl i n kr e d u n d a n c yp r o t o c 0 1 ) 将工作在以 太环网，在设备和链路故障时能在几十毫秒数量级内实现链路的备份切换，多域配置更可 以实现多链路备份，以及业务流量的负载均衡，带宽得以重用。 本章首先在分析以太环网的数学模型基础上，提出环上避免回路的方法，然后在对 r f c 3 6 1 9 进行深入研究和分析的基础上，对实现的细节进行充实，形成了以太网链路冗余 ： 备份协议( e l r p ) 的主体，最后分析了e l r p 技术典型组网应用的特点。 2 1以太环网建模【1 7 】 2 1 1 以太环网链路冗余备份的模型 在进行模型分析之前，首先进行以下定义：