基于1+1工作模式OLT的LACP協議研究

羅志成，張潔

（武漢郵電科學研究院，湖北武漢 430074）

隨著通信互聯網技術的不斷發展，人們對圖像、語音以及多媒體業務的需求不斷增加。近幾年，PON 技術憑借維護方便、成本較低、穩定性強以及可靠性高的優勢越來越受通信設備廠商的青睞。

OLT 是PON 系統中的核心設備，它既能夠將公用網絡的信號傳輸到家庭用戶，也能夠將來自用戶的信號分成不同種類的業務信號，分別送入到業務網中。隨著越來越多用戶的接入，傳統OLT 設備中，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據量。另外，PON 網絡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速毫秒級延遲的需求。文中提出的1+1 工作模式的OLT 設備支持雙主控盤同時工作，并支持接入網中跨盤鏈路聚合。此種工作模式的OLT 設備不僅能夠保證主備倒換時業務的穩定性和可靠性，也提高了帶寬速率。

1 PON系統

1.1 PON系統架構

PON 是一種由點到多點架構組成的網絡寬帶技術，主要由光網絡單元（ONU）、光線路終端（OLT）和光分配網（ODN）組成。整個PON 系統的運行以及接入過程中無需任何使用電源的電子設備，因此PON也被稱為無源光網絡。PON 系統的網絡結構如圖1所示。

圖1 PON系統結構圖

1.2 PON系統工作原理

PON 在上行和下行方向采用不同的復用技術。在下行方向中，OLT 將要送給每個ONU 的業務信號組裝成幀，以廣播的方式發給多個ONU，每路信號都含有發給所有特定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 在不同的時隙發送上行信號。上行傳輸方式如圖3 所示。

圖3 PON系統上行廣播方式

2 LACP協議

2.1 LACP協議介紹

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。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 技術既能提高業務的帶寬，同時也能提供備用鏈路，從而保持業務不會中斷。

鏈路聚合技術分為手工聚合和LACP 模式鏈路聚合。在現網中，手工聚合由于操作復雜、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 標準中提出的協議，加入聚合組的成員通過發送LACP 報文與對端設備交互信息實現鏈路的匯聚。

LACP 協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協議報文解析

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

圖4 LACP協議報文格式

2.3 LACP協議狀態機

LACP 協議的交互主要由協議內部的一組狀態機來實現，這組狀態機負責整個LACP 協議的運轉。LACP 主要由4 個狀態機和一個邏輯判斷組成，具體如下：

接收狀態機Receive machine：接收對端LACP 包并記錄信息，判斷對端是否和本端協商。

周期性發送狀態機Periodic Transmission machine：通過周期性發送LACPDU 包來維持聚合狀態。

聚合狀態機Mux machine：控制端口加入或踢出聚合組。

發送狀態機Transmit machine：為其他狀態機服務，發送LACPDU 數據包。

邏輯判斷Selection logic：為物理端口選擇一個可用的聚合組。

3 方案設計

3.1 OLT 1+1模式設計

要將OLT 設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盤的端口定義為普通端口。普通端口用來收發報文并進行MAC 地址表學習，堆疊端口只作為系統內部的通信端口，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內部統一編號，編號方式是芯片號和端口號的組合。Chip ID 和Port ID 的數據長度為2 字節，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。

通過以上設計方案，兩塊主控盤可實現1+1 并發工作模式，兩塊主控盤的上聯口可同時工作，實現上聯口的擴展和負載分擔。主用主控盤交換芯片學習PON 業務單盤、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，系統內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跨盤聚合方案設計

在傳統OLT 設備中，只支持主用主控盤單獨工作，而備用主控盤不運行協議。1+1 工作模式的OLT能夠支持跨主控盤聚合。LACP 協議1+1 模式設計如圖8 所示。

圖8 LACP協議1+1模式設計

設備與設備之間的LACP 協議交互(如LACP 使能、創建Trunk 組、設置Trunk 的工作模式、設置Trunk 組的最大活動成員數、將端口加入到Trunk 組等)需要進行LACP 配置。

RCAL 是命令行模塊，SNMP 是網管模塊。這兩個模塊負責LACP 協議的配置下發與配置回讀，主盤配置通過命令行直接下發，備盤配置通過數據庫實現配置同步。

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

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

LACP 協議模塊會調用橋模塊的發包函數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端口直接發送出去，也可以通過主從通道發給備盤，通過備用主控盤的上聯端口發送出去。

4 實驗測試

基于提出的1+1 并發工作模式OLT 設備并支持LACP 跨盤聚合的方案設計，在實驗室搭建圖9 所示的實驗環境。使用OLT 設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 設備與交換機設備上進行LACP 配置，發現LACP 協議可以正常協商。通過命令行在設備上回讀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 來模擬業務流，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。數據流量信息如圖11 所示。

圖11 跨盤聚合數據流量示意圖

由圖11 可以發現，2/4 端口發出1 000 fps 的業務流量，接收到1 000 fps 的業務流量；2/11 端口發出1 000 fps 的業務流量，也接收到1 000 fps 的業務流量，全程無丟包現象。

在正常聚合的條件下，拔掉9∶1 端口，使數據流全部通過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

文中實驗設置流量速率為1 000 fps，根據圖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 結論

提出的支持以1+1 并發工作模式OLT 為基礎并且在軟件上實現LACP 協議的方案設計，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務，提高了系統的數據處理性能和穩定性，展現了設備良好的商用價值。今后將主要關注設備跨網段之間的通信，進一步提高設備的實用性。