摘要：GPON主要由OLT、无源光分配网和ONU组成，具有高带宽、高效率、大覆盖范围、用户接口丰富等众多优点，被运营商视为接入城域网实现业务宽带化、综合化改造的理想技术。GPON作为城域网的延伸，承载了运营商的家宽、专线和IPTV等业务。现运营商基本采用OLT双上联城域网保护方案，但随着OLT承载业务及种类的增多，存在双上联链路流量不均衡情况。在此基础上分析现OLT双上联均衡情况，提出了通过控制接入PPPoE和IPoE用户实现动态流量均衡的方案。
0 引 言
GPON（Gigabit-Capable PON）主要由OLT、无源光分配网和ONU组成，是基于ITU-TG.984.x标准的无源光综合接入标准。GPON具有高带宽、高效率、大覆盖范围、用户接口丰富等众多优点，促成OLT承载更多的功能业务[1]。GPON采用单纤双向传输机制，在同一根光纤上使用WDM技术，用不同波长传输上下行数据，其中下行数据流采用广播技术，上行数据流采用TDMA技术。
城域网一般由核心层、汇聚层和接入层构成。以广东某运营商为例（如图1所示），城域网设备主要有CR、BNG、SR和SW等，GPON以FTTx形式出现，并主要承载运营商的家宽、专线和IPTV等业务。为实现业务保护，OLT双上联城域网被运营商列入备选建设拓扑[2]。因各种业务双路由承载协议不同，对OLT双上联链路有效利用提出了挑战。当双上联链路出现不均衡时，将影响链路数据包时延，严重时将影响用户感知。因此，需要对OLT双上联链路均衡方案进行研究和分析应用。
1 OLT主要业务双上联承载情况
1.1 互联网专线双上联保护及承载介绍
城域网与GPON组网中，互联网专线业务流为PC-ONU-OLT-SW/BNG，专线客户均是公网地址接入。接入方式分为双上联城域网SW场景和双上联BNG场景。在OLT直联BNG场景中，通过VRRP+BFD进行OLT双上联保护，可提高主链路中断时链路切换到备用链路的速度和可靠性[3]；而在OLT双上联SW场景中，双上联保护通过在SR/BNG与OLT之间配置单臂BFD+VRRP协议来实现主备保护。当OLT到SR之间多段链路中断后，业务切换到另一条链路[4]。如图1所示，当OLT01-SW01-SR01之间出现断点，会触发BFD协议down，从而使SR01下联端口down，引发VRRP倒换，业务切换到OLT01-SW02-SR02链路承载。上述保护中，专线业务在某一时刻只能使用主链路承载业务，备用链路是空闲，但也可以通过平均分配VRRP网关到两台BNG/SR来基本实现双路由负载分担[5]。
1.2 PPPoE双上联保护及承载介绍
城域网与GPON承载的宽带接入业务ADSL主要采用PPPoE协议进行认证上线。PPPoE协议认证的工作流程包含发现和会话两个阶段，如图2所示。
1.2.1 发现阶段
（1）客户端在本以太网内广播一个PADI包，包中包含主机想要得到的服务类型信息；
（2）以太网内的所有BRAS/BNG设备（PPPoE接入服务器）在收到初始化包后，将其中请求的服务与自己能提供的服务进行比较，其中可以为此主机提供此服务的宽带远程接入服务器发回PADO包；
（3）客户端可能收到多个BRAS/BNG的PADO包，主机通过PADO的内容，依据一定的条件从发回PADO包的可提供服务的BRAS/BNG中挑选一个（一般选择最先到达），并向它发回一个会话请求包PADR（非广播），这个包中再次包含所想得到的服务信息；
（4）被选定的BRAS/BNG收到会话请求包PADR后，开始准备进入PPP会话阶段。它会产生一个会话标识，以唯一标识它和主机的这段PPPOE会话，并把这个特定的会话标识包含在会话确认包PADS中发回给主机。如果没有错误发生，就进入到PPP会话阶段。而主机在收到会话确认包后，如果没有错误发生，也进入到PPP会话阶段。
1.2.2 会话阶段
会话阶段和数据传送阶段与PPP协议相同。主要是BRAS/BNG将客户的帐号、密码、VLAN/逻辑接口信息传递给AAA服务器进行认证，通过认证后，BRAS分配地址给客户，然后就可进行数据通信。
现有通过实时监测OLT下联口链路质量和流量，然后用贪婪算法周期性调整OLT下联口带宽占用量，以进行流量均衡[6]，但对OLT双上联均衡却停留在基于MAC奇偶地址的负载均衡。当OLT双上联两台BRAS/BNG时，PPPoE协议在发现阶段会选择最先到达的PADO包进行下步认证通信。通过在BRAS01/BNG01子接口上对偶MAC地址客户配置接入延时（如延时100 ms），而在BRAS02/BNG02子接口上对奇MAC地址客户配置接入延时（如延时100 ms）。上述设定将使BRAS01/BNG01的PADO包先于BRAS02/BNG02到达奇MAC地址客户，并使奇MAC地址客户选择BRAS01/BNG01进行后续的认证和通信，即选择路由OLT到BRAS01/BNG01承载数据流量。反之亦然，偶MAC地址客户选择路由OLT到BRAS02/BNG02承载数据流量。上述在BRAS/BNG配置奇偶接入时延，将使奇偶MAC用户数据在OLT双上联链路进行负载分担。
1.3 IPTV业务双上联保护及承载介绍
IPTV业务一般包含点播和直播业务。点播和直播实现协议有所区别。点播仍使用单播路由协议，而直播使用组播路由协议。
1.3.1 点播双上联保护与承载介绍
视频点播有多种认证方式。为便于控制，现在运营商一般采用DHCP开机认证接入[7]。广东某运营商点播客户端认证流程如图3所示。
（1）用户开机，发出DHCP Request。
（2）BRAS设备收到DHCP Request先缓存下来，将用户的VLAN、逻辑端口等信息向Radius Server上报。
（3）Radius Server根据BRAS设备送来的逻辑端口、用户名、密码进行认证，并将认证结果返回给BRAS设备。
（4）如果认证通过，BRAS完成DHCP Relay功能，并中转用户发出的DHCP Request。
（5）DHCP Server下发IP地址给用户。
（6）用户获取地址后，客户可正常使IPTV平台进行点播。
通过在BRAS01/BNG01子接口上对偶MAC地址客户配置接入延时（如延时100 ms），而在BRAS02/BNG02子接口上对奇MAC地址客户配置接入延时（如延时100 ms）。上述设定将使BRAS01/BNG01分配的地址先于BRAS02/BNG02到达奇MAC地址客户，并使奇MAC地址客户选择BRAS01/BNG01分配的地址进行后续通信，即选择路由OLT到BRAS01/BNG01承载数据流量。反之，亦然，偶MAC地址客户选择路由OLT到BRAS02/BNG02承载数据流量。通过上述配置，将使奇偶MAC点播用户在OLT双上联链路进行基于奇偶MAC地址的负载分担。
1.3.2 直播双上联保护与承载介绍
PIM是Protocol Independent Multicast（协议无关组播）的简称，可利用单播路由协议生成的单播路由表为IP组播提供路由。组播路由与所采用的单播路由协议无关，只要能够通过单播路由协议产生相应的组播路由表项即可。PIM借助RPF（Reverse Path Forwarding，逆向路径转发）机制实现对组播报文的转发。当组播报文到达本地设备时，首先对其进行RPF检查。若RPF检查通过，则创建相应的组播路由表项，从而进行组播报文的转发。当OLT双上联BNG时，将根据BNG组播子接口的PIM优先级选举一台BNG复制组播流量到OLT。当一条链路故障时，自动切换到另一路由。而在OLT01-SW01-BRAS01场景中，OLT只能逻辑上单上联一台SW01。当主链路有问题时，采用手工切换方式将链路切换到另一条OLT01-SW02-BRAS02路由。因此，直播只能占用一边链路传输数据包。
2 OLT双上联流量均衡分析和应用
2.1 OLT双上联流量均衡分析
经统计某运营商城域网流量情况，网络忙时超过90%流量是家宽、点播和直播业务。此三种业务导致OLT双上联流量不均因素有：
（1）直播业务只能走OLT单边链路；
（2）不同用户对应的网络流量存在差异；
（3）OLT承载的PPPoE和IPoE用户MAC奇偶数比值不对称（可达到1:2及以上），使两台BRAS/BNG接入用户数量和流量不对称。
针对第三点，广东揭阳某运营商提出优化方案（下面简称揭阳方案），分别在配对的两台BRAS/BNG中，给OLT的每个外层VLAN配置2个子接口。利用这两个子接口按100为步进基数，间隔地设置1 000～2 999的内层VLAN，在两个子接口中分别配置互为交叉的奇偶响应延时策略，尽可能控制用户使其平均分布到配对BRAS/BNG，使得配对BRAS流量尽可能均衡。此方案需要配置大量数据，因此限制了推广。
经过对主要业务负载均衡分析，现汇总OLT主要承载的家宽、专线和电视业务对OLT双上联链路承载情况表，如表1所示。
2.2 OLT双上联动态流量均衡方案
经统计某运营商流量情况，网络的流量忙时为晚上7点到10点。考虑到晚忙时超90%流量是家宽和IPTV业务，本文提出一种实时提取OLT双上联BRAS链路利用率，并计算两条链路利用率的绝对值。当绝对值超过10%时，通过实时抑制BRAS/BNG下联OLT的PPPoE与IPoE用户数来实现OLT双上联动态流量均衡的方案。
主要实施流程为：
（1）使用一台操作系统为CentOS的服务器搭建LNMP环境（Linux系统下Nginx+MySQL+PHP网站服务器架构），同时安装开源zabbix系统。服务器与城域网设备通过内网对接，zabbix系统使用SNMP协议实时采集OLT双上联流量和链路利用率，并保存到mysql数据库。
（2）OLT动态流量均衡系统监控程序实时计算OLT双上联两台BRAS链路利用率的绝对值，同时计算两条链路利用率的平均值，取平均值加上5%为高阈值，取平均值减去5%为低阈值。当绝对值连续9 min（为避免频繁调整，所以设定9 min稳定时间）超过10%且上联链路利用率超过45%（考虑链路利用率低于45%时属于轻载不调整）时，调用均衡程序。
（3）OLT动态流量均衡系统均衡程序。对链路利用率高的链路的BRAS接口，增加PPPoE和IPoE用户认证接入时延，使新增用户均优先从轻载链路上线，从而减少两条链路流量的差值。
（4）OLT动态流量均衡系统监控程序发现连续9 min内原重载链路利用率比低阈值小，则恢复PPPoE与IPoE用户的接入时延。
2.3 OLT双上联链路流量均衡测试比较
为验证OLT双上联动态流量均衡方案有效性，下面对广东某运营商二台典型的OLT在晚上7点到10点时间段的均衡性能进行测试。
OLT02双上联BNG，两边带宽分别为1 GE，现比较现状均衡方案和动态流量均衡方案效果。从图4可看到，基于奇偶MAC地址均衡的现双上联链路利用率相差较大，而用动态流量均衡方案的双上联链路利用率比较接近。图5展示了两种方案双上联链路利用率绝对值的曲线，可看出新方案的绝对值均小于现方案。另外，现方案绝对值的平均值达到了42.1%，而新动态均衡方案链路利用率绝对值的平均值为5.06%，效果明显。
OLT01双上联SW，两边带宽为2 GE，现比较揭阳方案（针对家宽和点播）和动态流量均衡方案效果。从图6可看到，揭阳方案双上联链路利用率相差较大，而动态流量均衡方案的双上联链路利用率较接近。图7展示了两种方案双上联链路利用率绝对值的曲线。可以看出，动态均衡方案的绝对值基本小于揭阳方案。另外，动态均衡方案链路利用率绝对值的平均为5.27%，而提阳方案链路利用率绝对值的平均值达到了14.35%，均衡效果明显。
3 结 语
OLT双上联是保障OLT流量安全的一种保护措施。为有效利用双上联链路，通过部署OLT双上联动态流量均衡方案，可有效应对家宽和电视等业务引起的流量不平衡。使用少数服务器部署开源软件，可实时采集流量数据并进行流量均衡，成本低。OLT双上联在大部分地市有部署，可复制性高；现均衡方案在链路不均衡时，只能采用手工方式进行均衡，效率低。综合考虑成本、效率、复制性，认为OLT双上联动态流量均衡方案存在推广应用价值。
参考文献：
[1] 伍岳.GPON在全业务运营中的应用模型研究[J].电信工程技术与标准化,2010(04):30-34.
[2] 余辰东.无源光网络上联组网设计及业务保护应用[J].光通信专题,2014(05):20-24.
[3] 王英杰.基于BFD和VRRP的出口链路冗余设计与实现[J].软件导刊,2015(02):124-125.
[4] 张红欣,胡国栋,闰青.一种新的城域网大客户专线热备保护方案[J].电信工程技术与标准化,2014(06):14-17.
[5] 欧仁辉,齐传辉,主雪梅.利用VRRP协议实现网络的负载均衡[J].河北工程技术高等专科学校学报,2010(01):63-65.
[6] 秦攀科,王立芊,马骏等.基于40G相干无源光网络系统光线路终端的流量均衡策略实验[J].中国激光,2015(04):143-149.
[7] 陈国平,郭浩.基于BRAS的IPoE技术原理与实现研究[J].互联网天地,2015(03):53-56.
作者简介：
廖伟全，中国移动通信集团广东有限公司韶关分公司工程师(CCIE)，硕士，主要研究方向为互联网技术；
喻林峰，中国移动通信集团广东有限公司韶关分公司工程师，硕士，主要研究方向为互联网技术与VOLTE技术；
李继龙，中国移动通信集团广东有限公司韶关分公司工程师(CCIE)，学士，主要研究方向为互联网技术；
江 圣，中国移动通信集团广东有限公司韶关分公司工程师，学士，主要研究方向为互联网技术；
周圆圆，中国移动通信集团广东有限公司韶关分公司工程师，学士，主要研究方向为互联网内容网络。
（本文选自《通信技术》2018年第九期）
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原文始发于微信公众号（信息安全与通信保密杂志社）：【网安学术】基于城域网与GPON组网的OLT双上联流量均衡研究与应用
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