金 豪

（上海市信息網絡有限公司，上海 200081）

0 引 言

隨著信息化建設在中國各大城市的不斷推進和發(fā)展，各企業(yè)的發(fā)展對運營商網絡連接的需求越來越大[1]，對網絡可靠性的要求也愈來愈高。在運營商城域網建設和發(fā)展過程中，經常會面對部分地區(qū)設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，目前運營商常通過網絡擴容、增加節(jié)點以及增加中繼等方法來滿足客戶的需求。但是，在現有網絡結構中，新增加節(jié)點可能會面臨原有網絡結構遭到破壞、路由震蕩等風險，存在一定的安全隱患。目前，也有很多運營商城域網的網絡結構是在接入層采用環(huán)網結構的方案[3]。當接入層端口資源不夠的情況下，通過新增環(huán)網可解決該問題。目前，中國電信上海公司的CE網就是采用的該項方案。由于每個環(huán)網相互獨立，彼此不會相互干擾，所以能滿足目前端口擴容的需求。但是，新增接入層環(huán)網也有諸多弊端：不僅會增加匯聚節(jié)點的壓力，環(huán)網的整體布局有時也會造成不必要的資源浪費。因此，希望能針對單臺設備端口資源耗盡的情況對其端口進行擴容。

本文提出基于IRF的城域網接入設備端口擴容方案，在不影響原有網絡結構的情況下，針對單臺設備端口資源緊張的情況，對其添加一臺相同的設備，將兩臺設備虛擬成一臺設備，以達到增加端口的目的。

1 IRF運行機制及應用

智能彈性架構（Intelligent Resilient Framework，IRF）是一種虛擬化的堆疊技術，可以將兩臺或多臺實際物理設備虛擬化為一臺邏輯設備供用戶使 用[4]。堆疊而成的IRF系統(tǒng)在網絡中作為單個節(jié)點來管理，用戶可以通過本地或遠程登錄IRF系統(tǒng)，對系統(tǒng)中所有實體設備進行操作和管理。每臺設備可以看做是整個系統(tǒng)的一塊接口卡板。所有設備的配置文件保持同步。

圖1為一個由兩臺物理設備組成的IRF系統(tǒng)。兩臺設備通過IRF鏈路連接，并通過IRF端口轉發(fā)協議報文，用以保持IRF系統(tǒng)穩(wěn)定。在IRF系統(tǒng)中，有且只有一臺設備為Master設備，其余設備均為Slave設備[5]。IRF形成的虛擬設備采用1:N冗余，其中Master設備控制整個虛擬系統(tǒng)的運行，承擔著整個系統(tǒng)的控制卡板的作用。當然，Master設備也同樣負責轉發(fā)數據。Slave設備除了負責接收和轉發(fā)數據，還需作為Master的備份。一旦Master設備出現故障，IRF系統(tǒng)將重新選擇一臺設備作為系統(tǒng)的Master設備，以保持系統(tǒng)的正常工作。在IRF系統(tǒng)中，所有設備會保持相同的配置文件，因此新的Master設備可以在最短時間內完成主備切換，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。同時，在虛擬系統(tǒng)內部，各物理設備間通過IRF端口互聯用以交互協議報文，IRF端口則采用聚合方式將多條鏈路進行聚合，不但可以實現IRF端口的冗余保護，也能將數據流量進行負載分擔，以進一步提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖1 上海電信CE網絡

在設備管理方面，增加一臺設備并不會增加網管的管理工作量，只需在新設備入網時進行相關配置。一旦IRF系統(tǒng)形成后，用戶即可將整個系統(tǒng)視為一臺物理設備進行管理。無論是本地管理還是遠程登錄至任意一臺物理設備，都可以實現對系統(tǒng)內所有設備的統(tǒng)一操作管理。雖然物理設備的數量增加了，但是需要管理的設備數量并沒有增加，網絡規(guī)模和節(jié)點數量也并沒有增加。因此，網絡的規(guī)劃過程、建設過程、維護過程都將大大簡化，以有效節(jié)省管理成本。同時，IRF系統(tǒng)由多臺設備組合而成，因此理論上整個系統(tǒng)的交換容量和端口數量即為系統(tǒng)內所有設備的總和。可見，運用IRF技術可以在不擴大網絡規(guī)模的情況下，大幅增加網絡的性能。

目前，IRF技術常用于網絡的核心設備或重要的匯聚設備。在網絡初期建設時，可將兩臺或多臺設備堆疊成一臺虛擬主機作為核心層交換機。通過堆疊而形成的虛擬設備，不僅提高了性能，更增強了設備的可靠性。

2 通過IRF技術實現端口擴容

目前，典型運營商的城域網多采用核心層、匯聚層和接入層的網絡分層結構[6]。在接入層，常采用環(huán)形網絡結構。這樣的結構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的CE網絡結構。

如圖2所示，環(huán)狀的網絡結構提供接入層網絡設備至匯聚層的雙鏈路上聯，保證了網絡的冗余 性[7]。但是，環(huán)形網絡結構使同一個環(huán)上的所有設備彼此關聯，一旦環(huán)路狀態(tài)發(fā)生變化，會影響整個環(huán)網的設備，對網絡拓展造成了一定影響。在這樣的狀態(tài)下若要對網絡進行擴容，通常是通過在匯聚節(jié)點下增加新的接入環(huán)網來實現網絡擴容。但是，增加新的環(huán)網存在一系列問題。首先，新增環(huán)網會消耗上聯匯聚設備的端口資源。其次，增加一個環(huán)網，網絡結構會發(fā)生變化，導致全網的路由需重新收斂。最重要的問題是每臺環(huán)網上設備的端口利用率并不均勻，因為個別設備端口耗盡而增加一個新的環(huán)網，對設備資源和中繼光纖資源也是一種浪費。

圖2 CE網絡結構

運營商城域網經過一段時間的運營，網絡上的負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)，網絡資源必定會消耗得更快，而在其他地區(qū)網絡資源則相對較充裕。在這種情況下，運營商更希望能針對單臺設備如增加一塊接口卡板對設備端口進行擴容，而IRF技術能滿足該需求。

如圖3所示，當機房A內的網絡設備端口資源耗盡時，運營商只需在該機房內新安裝一臺相同的設備。通過中繼光纖與原設備互聯，兩臺設備均需配置成IRF模式，互聯端口為IRF端口，互相交互設備狀態(tài)信息。

圖3 通過IRF對節(jié)點端口擴容

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

當IRF系統(tǒng)形成后，所有網絡結構和保護方式與之前網絡并無異處。IRF系統(tǒng)可增加多臺設備，IRF系統(tǒng)內設備的數量根據不同設備性能各不相同。運用IRF虛擬化技術，可以在不影響網絡結構的基礎上，按需為設備增加端口。理論上，只要中繼鏈路帶寬允許，可以增加多臺設備對接入層設備的端口資源進行擴容。

3 實驗驗證

為驗證擴容方案的可行性，在某個大型城市的CE網絡中進行了實驗驗證。網絡的整體結構如圖1所示，實驗驗證的測試環(huán)境如圖4所示，是網絡中的一個環(huán)網。

圖4 測試環(huán)境

實驗對一個已形成環(huán)網結構的網絡中的一臺設備添加一臺相同設備，使其成為一臺虛擬系統(tǒng)。在該過程中通過探針監(jiān)控A、B、C、D四臺設備，查看該過程中四臺設備上用戶的受影響程度，中斷時間見表1。

表1 業(yè)務中斷時間對比

由表1可見，端口擴容的過程只對需要進行端口擴容的設備上的用戶產生影響，中斷時間為該設備重啟時間，對網絡上其他設備并不會造成影響。

待IRF系統(tǒng)形成后，對系統(tǒng)內兩臺設備以及另一臺環(huán)網中設備上的用戶進行故障測試，查看IRF系統(tǒng)對突發(fā)故障的冗余速度，業(yè)務中斷時間見表2。

表2 IRF系統(tǒng)對突發(fā)事故冗余速度

通過實驗可以看出，IRF系統(tǒng)作為一臺虛擬設備，和環(huán)網中其他物理設備對突發(fā)故障的響應和處理并無不同，完全可以當做一臺物理設備看待。

4 結 語

IRF作為一種虛擬化的堆疊技術，能很好地應用于解決網絡端口的擴容問題，不止于環(huán)形網絡結構，在總線型、星型網絡結構中同樣適用。在運營商城域網中運用堆疊技術擴容端口，具有節(jié)約資源、操作簡便、對原網絡影響較小等優(yōu)點，可以廣泛應用于各類運營商城域網，尤其對大型或特大型城市城域網的網絡端口擴容提供了解決方案。