孫兵

摘要：隨著IP網(wǎng)絡承載業(yè)務的不斷豐富，網(wǎng)絡接入業(yè)務高可靠性成為關鍵需求。為達到電信級可靠性要求，用戶接入網(wǎng)關設備高的可靠性保證成為關鍵。通過系統(tǒng)研究用戶網(wǎng)關電信級可靠性保證方案，包括端口級/單板級/設備級1+1、N+I、N+M備份方案，設計基于二層網(wǎng)絡的冗余檢測備份協(xié)議（L2SP）與用戶網(wǎng)關業(yè)務的熱備份機制，解決用戶典型接入?yún)f(xié)議（PPPOE/802.1X/DHCP）設備間用戶信息與業(yè)務狀態(tài)熱備份難題，使設備在一年的連續(xù)運行中因各種可能原因造成的停機維護時間少于5分鐘，達成網(wǎng)絡設備99.999%的高可用性目標。相較于傳統(tǒng)設備級不帶用戶業(yè)務熱備的可靠性方案，可靠性能力提升50%以上。

關鍵詞：IP網(wǎng)絡設備可靠性;L2SP;用戶業(yè)務熱備份;業(yè)務可靠性

DOI：10.11907/rjdk.201172開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）006-0244-04

0 引言

隨著Internet業(yè)務和IP網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，基于Internet網(wǎng)絡承載電信級業(yè)務成為IP網(wǎng)絡發(fā)展演進的必然趨勢。IP網(wǎng)絡可靠性、服務質量控制技術要求越來越嚴格，IP網(wǎng)絡電信級業(yè)務可靠性主要包括3個層面：設備可靠性、鏈路可靠性和網(wǎng)絡可靠性，其中鏈路可靠性和網(wǎng)絡可靠性技術日趨成熟，但IP設備級可靠性技術還不完善。目前行業(yè)標準IETF VRRP（Virtual Router Redundancy Protoc01）技術是基于OSI（Open System Intereonnect ReferenceModel）三層網(wǎng)絡協(xié)議的設備級冗余備份檢測技術，并且VRRP僅是設備主備狀態(tài)檢測和倒換觸發(fā)協(xié)議，并未系統(tǒng)地定義設備間業(yè)務狀態(tài)實時備份機制。實際IP網(wǎng)絡中匯聚層用戶接人網(wǎng)關設備（如運營商網(wǎng)絡邊緣業(yè)務路由器、BRAS/企業(yè)網(wǎng)絡用戶網(wǎng)關）所處位置較低，基于建網(wǎng)成本規(guī)劃考慮，用戶終端大多通過二層網(wǎng)絡接人至匯聚層用戶網(wǎng)關設備。因此本文基于OSI二層網(wǎng)絡研究新一代設備級冗余檢測備份技術，以填補業(yè)界空白。

現(xiàn)有相關研究主要分為3種類型：①設備可靠性模型研究。文獻進行了設備可靠性場景假設并給出了模型定義，但未針對電信級實際應用場景和承載的用戶業(yè)務跨設備間熱備給出方案設計和流程機制定義;②設備內(nèi)模塊級可靠性研究。重點是制定模塊級備份機制和方案，如電源模塊、微波通信模塊、傳輸模塊等，局部硬件級備份是關鍵，包括電源模塊的N+I備份、硬盤磁盤陣列M+N備份，但不涉及整個IP通信設備級及承載的業(yè)務備份;③設備可靠性應用場景及業(yè)務備份案例研究。文獻提出的通用網(wǎng)絡設備可靠性備份場景考慮了OSI網(wǎng)絡分層的抽象備份，但未就電信級IP網(wǎng)絡設備承載的用戶業(yè)務（認證協(xié)議、地址分配協(xié)議等）、設備間業(yè)務級備份模型擴展及實際IP承載網(wǎng)場景提出可靠性方案。

1 相關技術

1.1 基于二層網(wǎng)絡的設備冗余檢測技術

本文研究基于二層網(wǎng)絡的設備冗余檢測協(xié)議（LaYer-2Standby Protocol，L2SP），實現(xiàn)用戶接入網(wǎng)關設備單板內(nèi)端口間/設備內(nèi)單板間/設備間的3級l+1、N+1、N+M冗余備份，管理控制用戶網(wǎng)關設備在二層接入網(wǎng)絡中相應冗余狀態(tài)聯(lián)動，包括主備倒換和回切。

1.2 用戶業(yè)務熱備份技術

IP網(wǎng)絡廣泛存在的PPPOE/DHCP/802.1X終端接人協(xié)議業(yè)務相關技術包括：

（1）DHCP用戶業(yè)務熱備份。通過二層冗余檢測技術L2SP觸發(fā)用戶網(wǎng)關設備單板間和設備間的DHCP用戶熱備份，關鍵是DHCP用戶信息設備間備份和同步更新機制，實現(xiàn)DHCP在線用戶冗余熱備，對DHCP用戶備份協(xié)議一致性檢測性能要求較高。

（2）PPPOE/802.1X用戶熱備份，即通過二層冗余檢測技術L2SP觸發(fā)用戶網(wǎng)關設備單板間和設備間的PPPOE/802.1X用戶熱備份。相對于DHCP用戶熱備份，該技術主要有兩個難點：首先PPPOE/802.1X用戶屬性可從AAA（Authentication，Authorization and Accounting）服務器動態(tài)下發(fā)，設備間熱備機制需考慮與AAA服務器鏈路聯(lián)動切換;其次PPPOE和802.1X會話以序列號進行標識，會話序列號由用戶網(wǎng)關設備自行分配，設備間熱備需考慮兩臺或多臺用戶網(wǎng)關設備的PPPOE或802.1X會話序列號可能沖突的問題。因此對于PPPOE/802.IX用戶接人，設備間用戶業(yè)務熱備在解決DHCP熱備問題的基礎上，還需解決上述兩個難題。

1.3 關鍵挑戰(zhàn)、技術創(chuàng)新點與技術難點

基于二層網(wǎng)絡的用戶網(wǎng)關設備級冗余檢測，在1+1冗余備份基礎上可擴展支持N+I、M+N冗余備份，填補國內(nèi)外電信設備級可靠性空白，解決運營商或企業(yè)網(wǎng)用戶網(wǎng)關設備通過二層網(wǎng)絡接人用戶的高可靠性難題。

用戶網(wǎng)關常用業(yè)務和協(xié)議包括：用戶終端接人PPPOE或802.1x協(xié)議、用戶終端地址動態(tài)分配DHCP（v4/v6），用戶網(wǎng)關設備間熱備需實時備份802.1x/PPPOE/DHCP協(xié)議會話狀態(tài)，并解決備份過程中會話ID沖突的難題。

PPPOE/802.1X和DHCP用戶接人在網(wǎng)關設備內(nèi)單板間倒換切換時間小于50ms，在網(wǎng)關設備間倒換切換時間小于200ms。

2 用戶網(wǎng)關設備高可靠性組網(wǎng)方案與技術流程

2.1 二層冗余備份檢測技術L2SP

用戶接入網(wǎng)關最基本的可靠性要求是設備內(nèi)單板級與端口級冗余檢測和備份。例如對于Internet上網(wǎng)業(yè)務，為便于基于用戶會話的靈活計費策略（時長/流量計費、預付費等），電信網(wǎng)絡一般采用PPPOE接人方式（也可能是DHCP方式直接IP接人），用戶接人后，終端和用戶網(wǎng)關之間建立PPP或IP會話，如果用戶網(wǎng)關端口或單板發(fā)生故障，用戶將不能正常上網(wǎng)。

本文研究的二層冗余備份檢測協(xié)議（Layer-2StandbyProtocol，L2SP）可用于網(wǎng)關設備端口間備份方案，如果主端口發(fā)生故障，則用戶業(yè)務被切換到備份端口，保證用戶PPPOE和DHCP業(yè)務不中斷、不丟包。主端口和備份端口可不在網(wǎng)關設備的同一塊單板上，需實現(xiàn)設備內(nèi)單板間的用戶業(yè)務狀態(tài)備份，保證用戶接人業(yè)務可靠性和組網(wǎng)靈活性。

L2SP基于二層網(wǎng)、采用二層組播協(xié)議承載用戶網(wǎng)關設備間冗余備份機制。對于VOIP和IPTV業(yè)務，為了實現(xiàn)“即插即用”，一般采用DHCP接人方式。用戶接入網(wǎng)絡后，終端和用戶網(wǎng)關之間建立IP會話（session）。如果網(wǎng)絡設備或鏈路由于發(fā)生故障而切換到新的網(wǎng)關設備上，此時用戶終端必須與新的網(wǎng)關設備建立會話。在這種情況下，用戶須重啟認證客戶端軟件才能恢復業(yè)務，用戶體驗較差。本文技術方案可有效改進用戶業(yè)務體驗問題，用戶網(wǎng)關設備上采用L2SP+BFD聯(lián)動，對用戶業(yè)務進行實時熱備份，一旦發(fā)生設備或鏈路故障，主備網(wǎng)關設備間會進行平滑切換，做到用戶零感知，并且借助于BFD檢測方式，保證故障檢測時間小于50ms，實現(xiàn)設備平滑切換。用戶網(wǎng)關設備L2SP+BFD方案要點如圖1所示。

2.2 用戶與業(yè)務熱備技術

用戶接入網(wǎng)關設備間的PPPOE/802.1X/DHCP用戶信息備份是實現(xiàn)用戶業(yè)務熱備的關鍵，考慮兩種用戶會話熱備份模式：積極（Active）和消極（Pasive）模式。

（1）積極模式。備用設備主動獲得與主用設備同步的用戶會話信息，立即更新建立自己的用戶會話信息;一旦主備切換事件發(fā)生，將根據(jù)已建立的用戶會話信息進行用戶接人業(yè)務處理。

（2）消極模式。備用設備獲得與主用設備同步的用戶會話信息并進行存儲，只有當主備切換事件發(fā)生時，根據(jù)L2SP協(xié)議切換模型，找不到轉發(fā)路徑的用戶報文將被發(fā)送至備用設備處理，若備用設備判斷是原故障主用設備的用戶報文，則將先前緩存的主用設備用戶信息更新到自己的會話信息表中，此后原故障設備所有用戶業(yè)務報文均可被備用設備接管處理。

積極模式可應用于1+1備份的環(huán)境中，備份設備能容納兩臺設備轉發(fā)表，主備切換時不會丟包;消極模式可用于N+l備份的環(huán)境中，一臺設備可作為多個設備備份，一旦主設備切換，新主用設備只會將發(fā)生故障設備轉發(fā)表下發(fā)至自己的數(shù)據(jù)轉發(fā)平面。

PPPOE/802.1X/DHCP用戶信息備份協(xié)議和備份機制的工作流程為：①用戶接入網(wǎng)關通過二層冗余協(xié)議L2SP協(xié)商檢測獲得主備狀態(tài);②主設備通過用戶表項備份協(xié)議將PPPOE/802.1X/DHCP用戶信息備份到備用設備;③二層冗余檢測協(xié)議L2SP基于BFD進行減速檢測，以達到50+ms級故障檢測能力;④發(fā)現(xiàn)用戶網(wǎng)關設備或接人鏈路故障、啟動主備切換;⑤故障消除后進行按需回切用戶業(yè)務，同時備份用戶信息，故障恢復后用戶業(yè)務是否回切的策略可被預先配置。

在網(wǎng)關設備用戶熱備協(xié)議工作過程中，由于軟件異常、鏈路通信異常等問題，主設備上的用戶信息不可避免地會出現(xiàn)不一致，因此用戶信息設備間實時同步是用戶信息備份協(xié)議的重要組成部分，可靈活配置實時同步時間間隔。

對于PPPOE/802.1X用戶，如果會話ID由各網(wǎng)關設備自主分配，則可能使不同網(wǎng)關間會話ID沖突，導致用戶信息異常、影響用戶正常業(yè)務。這是用戶業(yè)務跨網(wǎng)關設備熱備份面臨的重大挑戰(zhàn)，需采用集中資源管理服務器對用戶與會話ID進行統(tǒng)一分配管理，各用戶網(wǎng)關不再自主分配會話ID，防止因用戶網(wǎng)關會話ID資源沖突造成PPPOE用戶熱備異常。

2.3 N+I與M+N備份擴展技術

在l+l冗余備份協(xié)議基礎上，研究擴展成N+1、M+N備份方法。

首先介紹N+1的方案。1臺備用設備與N臺主用設備分別建立L2SP二層冗余檢測關系，任何一臺主用設備出現(xiàn)故障，均會將其它業(yè)務切換到備用設備上，如圖3所示。

備用網(wǎng)關設備與各個主用網(wǎng)關分別進行L2SP+BFD協(xié)議檢測，任何一個主用網(wǎng)關設備或鏈路故障均會觸發(fā)倒換動作，使其用戶業(yè)務切換到備用網(wǎng)關上。

M+N冗余備份技術在N+I備份基礎上進行擴展，多個備份設備組成一個備份組（Standby Group），對多個主用設備進行備份。備份組通過算法給每個備份設備標識出優(yōu)先級，高優(yōu)先級備用設備與各個主用設備分別進行L2SP檢測，當主用設備出現(xiàn)故障時，備用設備立即接管其業(yè)務，此時該備份設備主動降低自己的優(yōu)先級（如降低到最低值0），備份組中其它高優(yōu)先級的備份設備會與剩下的各主用設備進行L2SP冗余檢測。

如果備份組中最后一個備用設備接管了故障主用設備業(yè)務，則不降低自己的優(yōu)先級，繼續(xù)與其它主用設備進行L2SP冗余檢測和備份，該情況下對于備份組中最后一個備用設備，衍化為N+2備份模式。設備間M+N備份方案如圖4所示。

備份組中的最高優(yōu)先級網(wǎng)關設備分別與各個主用網(wǎng)關進行L2SP+BFD協(xié)議檢測，任何一個主用網(wǎng)關設備或鏈路出現(xiàn)故障，均將其業(yè)務切換到備份組最高優(yōu)先級網(wǎng)關設備上。備份組中各個網(wǎng)關間通過選舉算法確定最高優(yōu)先級設備，由其對各主用網(wǎng)關進行L2SP+BFD檢測和用戶業(yè)務備份。

3 結語

隨著IP技術的飛速發(fā)展，各種增值業(yè)務在互聯(lián)網(wǎng)上廣泛應用，對IP網(wǎng)絡電信級可靠性提出了很高要求。由于大量用戶通過二層網(wǎng)絡接人到用戶網(wǎng)關設備，雖然業(yè)界利用以太OAM等技術解決鏈路可靠性問題，但接入網(wǎng)關設備級可靠性無法得到根本保證。本文L2SP協(xié)議填補了業(yè)界用戶接入網(wǎng)關設備的設備級二層冗余檢測協(xié)議空白，可將接人二層用戶網(wǎng)絡的用戶網(wǎng)關設備可用性提高至99.999%，相當于設備連續(xù)運行一年，因各種可能原因造成的停機維護時間少于5分鐘。按照一個中大型企業(yè)7000臺用戶接入網(wǎng)關計算，每年累計可節(jié)約因設備軟硬件故障導致用戶業(yè)務中斷時間233小時。由此可見，二層設備冗余檢測和用戶業(yè)務熱備技術可提高IP網(wǎng)絡接人可靠性，提升運營商和企業(yè)用戶滿意度，蘊藏著巨大商機。