林煜

摘 要：隨著無線網(wǎng)絡的迅猛發(fā)展，智能手機、PAD等終端設備大量出現(xiàn)，分布式、扁平化Supervlan網(wǎng)絡的大規(guī)模布署，移動用戶規(guī)模的以10萬級別的規(guī)模不斷增加，移動用戶的強流動性，活動區(qū)域廣，給無線網(wǎng)絡帶來了巨大IP地址的壓力及可靠性問題。本方案提出一種分布式地址分配和熱備技術，解決了大容量終端（45萬）頻繁遷移場景下的IP問題，減少了IP地址的浪費，同時實現(xiàn)了分布式服務器間相互熱備機制，保障了整網(wǎng)的穩(wěn)定性及可靠性。

關鍵詞：扁平化 分布式 VRRP DHCP SuperVlan 熱備

中圖分類號：TN929 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）03（b）-0140-02

扁平化結構將網(wǎng)絡劃分為業(yè)務控制層和寬帶接入層。寬帶接入層由匯聚和接入層設備構成，僅提供基本的用戶高帶寬接入功能和相互之間的VLAN二層隔離功能，業(yè)務控制層則由核心層設備構成，提供網(wǎng)絡中的用戶接入控制、業(yè)務功能實現(xiàn)等復雜功能。扁平化的結構模式不僅利于網(wǎng)絡管理，更能提高網(wǎng)絡運行效率。

針對Supervlan扁平化多核心組網(wǎng)方式，有以下幾個明顯特征：

（1）用戶數(shù)量大，遠超過一般局域網(wǎng)幾萬用戶的規(guī)模。

（2）設備性能要求高，用戶數(shù)量增加后，并發(fā)用戶數(shù)增加一個數(shù)量級。

（3）異常切換響應要求高，除一般熱備外還需要考慮整機異常情況。

針對以上特征，本文提出一種基于Supervlan扁平化分布式多核心組網(wǎng)方式下DHCP Server的部署方案，通過IP地址均衡分配策略，可以解決多網(wǎng)關場景下用戶網(wǎng)關反復變化引起的IP地址分配和管理問題。同時將DHCP Server布署在分布式多核心設備上，可以解決在大容量（40W+）無線終端用戶并發(fā)上線對設備性能的要求。DHCP Server服務器之間通過分布式部署可以互相交流和同步用戶信息，達到用戶頻繁遷移，網(wǎng)關反復變化IP合理分配的要求。分布式部署同時帶來的好處是設備異常后，單主設備可以快速響應到有服務器異常，同時接管該服務器業(yè)務，達到設備異常業(yè)務不中斷。

1 VRRP基本原理

VRRP可把一個虛擬路由器的責任動態(tài)分配到局域網(wǎng)上的VRRP路由器中的一臺。控制虛擬路由器IP地址的 VRRP路由器稱為主路由器，它負責轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包到這些虛擬IP地址。一旦主路由器不可用，這種選擇過程就提供了動態(tài)的故障轉(zhuǎn)移機制，這就允許虛擬路由器的IP地址可以作為終端主機的默認第一跳路由器。是一種LAN接入設備備份協(xié)議。一個局域網(wǎng)絡內(nèi)的所有主機都設置缺省網(wǎng)關，這樣主機發(fā)出的目的地址不在本網(wǎng)段的報文將被通過缺省網(wǎng)關發(fā)往三層交換機，從而實現(xiàn)了主機和外部網(wǎng)絡的通信。

2 SUPERVLAN基本原理

Supervlan，即超級vlan，也叫vlan聚合，其原理是將一個網(wǎng)段的IP分給不同的子VLAN（Sub VLAN），這些Sub VLAN同屬于一個Super VLAN。而每一個Sub VLAN都是獨立的廣播域，不同Sub VLAN 之間二層相互隔離。當Sub VLAN 內(nèi)的用戶需要進行三層通信時，將使用Super VLAN 的虛接口的IP 地址作為網(wǎng)關地址，這樣多個VLAN 共享一個IP 地址，從而節(jié)省了IP 地址資源。

3 分布式核心實現(xiàn)

本方案的分布式核心由3個VRRP熱備組和1臺獨立備份設備組成，每臺核心設備均開啟SUPERVLAN，核心間二層、三層均可互通，構建成一個分布式扁平化網(wǎng)絡結構[2]。

3.1 VRRP熱備組

每個熱備組由兩臺設備組成，僅有一個熱備組開啟DHCP Server功能，負責為全網(wǎng)用戶動態(tài)分配IP地址，并將用戶的網(wǎng)關平均分配在3個熱備組的6臺核心設備中。

（1）每個熱備組的兩臺核心之間跑VRRP，并在熱備組內(nèi)部同步用戶認證表項，在一個核心故障的情況下，可以實現(xiàn)已在線終端網(wǎng)關快速切換，在線的已認證終端無需重復認證。

（2）每核心支持15萬終端的ARP表項，支持8萬終端的WEB認證，考慮到冗余備份需要，建議每臺網(wǎng)關最大不超過7.5萬用戶的認證。

3.2 獨立備份核心

當某臺核心設備宕機的情況下，已在線用戶切換到熱備組的另一臺設備上，同時DHCP Server與核心之間的心跳機制檢測到設備故障，則直接分配新上線用戶以備份設備為網(wǎng)關。當設備恢復工作時，核心重新檢測到設備，再將后續(xù)的新上線用戶重新分配回恢復工作設備。

3.3 用戶地址/網(wǎng)關均衡策略

整網(wǎng)地址服務由兩核心承擔，高峰期并發(fā)用戶數(shù)量達到1萬，為避免兩服務器為同一用戶分配不同地址，需通過策略進行地址服務區(qū)域限制[1][3]，如，服務器1為網(wǎng)關1、2、3服務，服務器為網(wǎng)關4、5、6服務。

用戶地址/網(wǎng)關分配采用就近原則，即與用戶關聯(lián)最近的核心作為網(wǎng)關，將用戶的網(wǎng)關信息通過DHCP報文透傳至DHCP-SERVER雙核心，DHCP-SERVER根據(jù)相應的地址服務策略選取出最優(yōu)網(wǎng)關及地址下發(fā)給對應的用戶。

3.4 冗余

DHCP-SERVER布署于其中一組VRRP熱備組之上，需實時對用戶地址及網(wǎng)關進行熱備。任一VRRP熱備組測到有用戶網(wǎng)關異常后，需通告DHCP-SERVER收斂策略地址池，同時將異常網(wǎng)關的用戶均勻分布到其他網(wǎng)關上。

集群地址服務器啟動服務器異常檢測機制，當某臺服務器出現(xiàn)異常后，用來快速收斂其他服務器的策略地址池，主要目的在當服務器異常后，其他服務器可以通過策略算法及時接管異常的服務器所維護的地址池。

3.5 終端遷移

本分布式場景下布署6個網(wǎng)關，終端在整網(wǎng)內(nèi)頻繁遷移，網(wǎng)關必須保持不變，上行數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)發(fā)至原網(wǎng)關進行處理，下行數(shù)據(jù)需轉(zhuǎn)發(fā)至終端最終所在網(wǎng)關進行處理。

3.6 環(huán)路處理

由于7臺網(wǎng)關組成一個環(huán)路，需要采用環(huán)路機制如ERPS進行破環(huán)，在單設備出現(xiàn)異常后需迅速進行通路恢復。

4 結語

本發(fā)明提出一種基于SUPERVLAN扁平化分布式組網(wǎng)方式下IP地址分配的方法和裝置，解決地址分配精細化，綁定表與轉(zhuǎn)發(fā)表同步機制；系統(tǒng)的高度可分布行和冗余性。其主要創(chuàng)新點在于：

（1）解決了SUPERVLAN+DHCP技術設計的扁平化網(wǎng)絡中，無法為不同用戶分配不同IP地址段的問題，現(xiàn)有技術方案中配置復雜，且無法完全解決該問題，提高了部署效率和靈活性。

（2）解決了DHCP服務器重啟后，現(xiàn)有DHCP地址沖突檢測技術可能失效的問題，提高了整體方案的可用性和用戶體驗；解決了設備異常后出現(xiàn)地址分配沖突的問題。

（3）多服務器下通過IP地址的策略管理及網(wǎng)關檢測服務器檢測機制，能夠均衡分配IP地址，降低設備異常導致的網(wǎng)關的負載波動。

（4）避免了因為用戶移動導致IP變化出現(xiàn)的重復認證現(xiàn)象。

參考文獻

[1] Balda， Braveem （April 2015）.“Security Enhancement in Distributed Networking”（PDF）[J]. International Journal of Computer Science and Mobile Computing，2018，4（4）：761.

[2] Stephen Nadas.“Virtual Router Redundancy Protocol （VRRP） Version 3 for IPv4 and IPv6”， RFC5798，March 2010.

[3] 解沖鋒.“IPv4地址分配管理方法”、設備和系統(tǒng)：中國.數(shù)通，201010233838.7[P].2010-07-22.