CN102195858A - 一种电信级以太环网的过负载保护技术 - Google Patents

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周厚明
熊裕锋
刘洋
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Abstract

本发明公开了一种电信级以太环网的过负载保护技术，将加入环网的每台交换机的组环端口的端口优先级都设为最高，即使用最快队列，而将其他非组环端口的端口优先级都设为最低。同时保持各端口的其他类型优先级顺序不变。然后再按照传统的EAPS组环原理，选取最高交换机优先级和最低MAC地址的节点为主节点，并指定各节点的主、从端口，完成环路拓扑。该技术不仅能在网络正常时有效提高环网内部数据和控制报文的传输效率，在网络负载过大时也能最大限度地保证环网的控制稳定性和自愈能力。

Description

一种电信级以太环网的过负载保护技术
技术领域
本发明涉及一种电信级以太环网的过负载保护技术。该技术采用基于QoS端口优先级的EAPS环网保护方法，能够有效提高电信级以太环网内部数据的传输效率，即使在网络负载较大时也能保证环网内部数据的正常传输和环网断链后的快速自愈，保证环网在强负载情况下传送数据的完整性，减少由于过负载时环网断链引起的丢帧和数据损失。
背景技术
随着以太环网技术的广泛应用和二层网络的规模的逐步扩大，以太环网的稳定性和可靠性成了电信运营商们越来越关注的焦点。尤其是语音与数据等实时业务的开展，对网络的有效性和稳定性提出了更高的要求。
目前大多数电信设备厂商的以太环网技术都是以EAPS(EthernetAutomatic Protection Switching，以太网自动保护切换)技术为基础实现的。EAPS的保护域局限于一个环形组网的范围内，如图1所示。
EAPS以太环网保护技术可以归纳为4项技术的叠加：标准MAC交换+改进的生成树算法STP+以太故障检测OAM+简单的环网控制协议。通过环网控制协议将物理的环破解成逻辑的链，并利用改进的生成树协议和MAC交换完成保护切换。
在EAPS环内每个交换机称为一个节点，通常会指定一个主节点，其他节点称为中转节点。主节点和中转节点接入以太网环的两个端口中，一个可指定为主端口，另一个可指定为从端口。与主节点从端口直连的链路被称为环保护链路。在EAPS中，分别设定控制VLAN和业务VLAN。控制VLAN只由组环的所有端口组成，它承载EAPS各种协议控制帧，并随时保持畅通；业务VLAN可以包含组环端口，也可以包含非组环端口，它承载以太数据流量。在这两个VLAN内，EAPS环内始终是执行标准的MAC交换算法。
在正常工作状态下，主节点对业务VLAN启用生成树，并通过收发相应的协议帧，主节点能够很快检测到环路，然后根据最短时延原则，阻塞主节点的从端口，即阻塞环保护链路，将物理的环破解成逻辑的链，从而避免广播风暴的发生。
当环中某一链路出现故障时，中转节点检测到链路故障后会马上发送消息给主节点。
主节点收到链路故障消息后，就会执行3个动作完成保护切换：
重新执行生成树算法，解除从端口的阻塞状态；清空MAC地址学习表，重新学习拓扑；通过控制VLAN发送以太控制OAM(Operations Administration andMaintenance，操作管理和维护)帧，其他中转节点收到OAM帧后，清空本节点的MAC地址表，重新学习拓扑，并将该节点的环上阻塞端口置为转发状态。
在切换完成后，主节点的主端口继续向从端口发送连接性检查，当主节点的从端口又收到OAM帧时，则表明故障已恢复，主节点再重新执行生成树算法，阻塞它的从端口，所有节点再次清空MAC表，重新拓扑学习。
虽然EAPS定义了较为完善的主节点和中转节点的故障发现和处理机制，但在实际应用中EAPS技术并没有从根本上摆脱VLAN的局限性，当以太环网上的节点数目达到一定规模时就会由于调度次数过多致使丢包概率增大，业务的QoS难以保证。在网络负载很大的情况下，若某一条链路发生故障，此时主节点的交换芯片可能会由于无法及时转发OAM帧导致从端口对环网状态判断错误，环网难以自愈。又比如网络受到黑客恶意攻击时，由于交换芯片来不及同时处理环内和环外的数据流，很容易造成STP的BPDU(Bridge Protocol Data Unit，网桥协议数据单元)协议报文丢失，从而使得STP计算错误，不能正确切断物理环路，引发广播风暴，使得用户根本无法访问网络资源。同时广播风暴会使得STP的BPDU报文更加难以得到处理，网络很难自愈恢复正常。
因此，传统EAPS以太环网技术较适合承载流量较小，对业务QoS无特殊需求的业务。
发明内容
为了克服现有电信级以太环网在负载过重时的控制错误、自愈困难以及丢帧现象，本发明提出一种电信级以太环网的过负载保护技术，该技术不仅能在网络正常时有效提高环网内部数据的传输效率，在网络负载过大时也能最大限度地保证环网的控制稳定性和自愈能力。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：先为加入环网所有交换机启动QoS服务，并为每台交换机的所有端口分配端口优先级——将所有组环端口的端口优先级都设为最高，即使用最快队列，而将其他非组环端口的端口优先级设为最低。同时保持各端口的其他类型优先级顺序不变。然后选取交换机优先级最高且MAC地址最小的交换机为主节点，并指定各节点的主、从端口，完成环路拓扑。
服务质量QoS是网络的一种安全机制，是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。当网络过载或拥塞时，QoS能确保重要业务量不受延迟或丢弃，同时保证网络的高效运行。对于环网上每个交换机来说，其默认的服务质量QoS共提供4个内部队列，每个队列支持4个不同等级的通信量，其中第4队列为最快队列，其他队列的处理速度依次降低，第1队列为默认选用的最慢队列。当每个数据包到达交换机时，都要根据其优先级分配到适当的队列，然后该交换机再从每个队列转发数据包。该交换机通过其排队机制(优先级由高到低)确定下一步要服务的队列。依据QoS原理，高优先级的数据包在交换机里暂留的时间较短，对某些延迟敏感的通信量支持较低的潜伏期。QoS可以按照端口ID、MAC地址、802.1p优先级标签、DiffServ和IP TOS等参数的不同，进行多种类别的划分。而在所有的QoS类型中，基于端口的QoS优先级的级别是最高的，交换机将首先考虑处理拥有最高端口优先级的数据。在没有规定各个端口的端口优先级的情况下，由于交换芯片在同一时间内既要处理组环端口发送的控制协议帧，又要处理环外端口传输的数据帧，因此从交换机各个端口发出的数据包到达交换芯片的顺序是不定的，很难保证控制VLAN中数据处理的及时性。最坏的情况如图2所示，两个组环端口发出的协议报文和控制帧被分配到第1队列(最慢队列)，需要等到其他较高优先级的队列数据都处理完(绝对优先级)或者有资源空闲(相对优先级)的时候才能处理组环端口发出的协议控制帧。现在将所有组环端口的端口优先级都设为最高后，所有从组环端口转发出去的数据和控制帧将拥有绝对的优先权，它们会使用最快队列进行传输。如图3所示，系统首先将高端口优先级的组环端口发送的控制帧和协议报文分配到交换芯片的最快队列，而将其它低端口优先级的非组环端口上的数据报文按照他们原先的非端口优先级顺序分配到其他较慢队列，从而保证环网内部高端口优先级的控制协议报文被优先处理，保证环网控制的正确性和实时性，确保网络拥塞发生时环网故障的快速自愈。
本发明的优点是：操作简单，不需要对环网的实现原理做过多的修改，只需要将所有组环端口的端口优先级设为最高，就可以轻松实现环路的有效控制，具有较高的抗负载和自愈能力。
附图说明
图1是传统EAPS以太环网保护技术原理图。
图2是传统EAPS以太环网在最差控制时的各端口服务质量示意图。
图3是使用本发明以太环网保护技术后，环网各端口的服务质量示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
首先为加入环网所有交换机启动QoS服务，并为每台交换机的所有端口分配端口优先级——将所有组环端口的端口优先级都设为最高，即使用最快队列，而将其他非组环端口的端口优先级都设为最低。同时保持各端口的其他类型优先级顺序不变。
然后选取交换机优先级最高且MAC地址最小的交换机为主节点，并指定各节点的主、从端口，完成环路拓扑。
参见图3所示，当为组环的两个端口设置了最高的端口优先级以后，从该端口发出的协议报文和控制帧将拥有绝对优先级，并被分配到最快队列(第4队列)；而其他低端口优先级的端口发出的数据包被分配到其他较慢的第1~3队列。按照QoS排队机制，交换芯片会首先处理最快队列的数据，等到该队列的所有数据都被处理完(绝对优先级)或资源空闲(相对优先级)的时候再处理其它非组环端口的较慢队列数据，从而保证了组环端口所有协议报文和控制帧的优先处理。
这样，当网络负载过大时，该发明能够首先完成组环端口BPDU协议报文的传输，确保EAPS环路(图1)的STP计算无误，并能够正确切断环路，防止广播风暴的发生。当环路发生断链和链路恢复时，该发明也能够及时转发OAM控制帧到中转节点和从端口，保证环网的快速自愈。

Claims (5)

1.一种电信级以太环网的过负载保护技术，组环拓扑使用EAPS环网保护技术，其特征是：将加入环网的每台交换机的组环端口的端口优先级都设为最高，即使用最快队列，确保组环端口发出的协议报文和控制帧在交换机处理的所有报文中优先级最高，使其能够被交换机优先处理和快速转发。
2.根据权利要求1所述的电信级以太环网的过负载保护技术，其特征是：将其他非组环端口的端口优先级都设为最低。
3.根据权利要求1、2所述的电信级以太环网的过负载保护技术，其特征是：对于设置了绝对Qos优先级的交换机系统，低端口优先级的非组环端口的数据业务报文需要等到组环端口的协议报文和控制帧全部处理完毕之后再处理。
4.根据权利要求1、2所述的电信级以太环网的过负载保护技术，其特征是：对于设置了相对Qos优先级的交换机系统，交换机将分配较多的带宽资源给高端口优先级的组环端口发出的协议报文和控制帧，而分配较少的带宽资源给低端口优先级的非组环端口的数据业务报文，从而保证处理组环端口发出的协议报文和控制帧能够得到高效的处理。
5.根据权利要求1、2所述的电信级以太环网的过负载保护技术，其特征是：保持各端口的其他类型优先级(非端口优先级)顺序不变。确保在端口优先级相同的情况下，各交换机端口的数据处理队列和优先级与未使用端口优先级时保持一致，尽量维护原先用户对各种业务优先级的需求。
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