EPON系统的三层路由及其接口设计
0引言
以太网无源光网络（EPON）系统要达到电信级技术标准，提高局端设备光线路终端（OLT）运行的可靠性是其面临的长期挑战。随着网络扁平化概念的提出，具有“大容量、少局所、高交换”性能的汇聚型OLT经过一个MSTP网络就可以接入骨干网[1]。根据运营局方的需求，当MSTP传输网内部故障时，不需要维护人员的直接干预，OLT能参与链路倒换并帮助实现网络自愈。理论上接入网OLT、MSTP传输网以及骨干网可以采用分段保护方案，例如OLT上联双归属保护OLT-MSTP的链路，MSTP内部链路的保护由MSTP本身负责，MSTP到上游骨干路由器的链路保护可以通过路由协议实现（收敛时间较长）。但是这种方法增加了网络维护的复杂度，而且现网业务已经部分开通，修改设备的配置存在一定风险。如果采用VRRP方案，由于只是MSTP网内部的链路状态发生改变，当VRRP发生主备切换时，原有主用接口状态并没有发生变化，接口还是处于UP状态，该路由还会继续宣告，从而导致下行流不通。基于OSPF协议的路由方案由于具有配置简单，风险可控，维护管理方便的特点，因而被本设计采用。
1 OLT上的三层接口设计
1.1 VLAN技术在OLT上的应用
作为交换式以太网设备的一种，EPON系统OLT对数据链路层技术有着强大的支持能力，例如二层VLAN技术的广泛应用。VLAN的划分方法有3种：802.1Q VLAN、基于端口的VLAN和基于MAC地址的VLAN[2]。OLT上的二层业务VLAN运用802.1Q实现VLAN标记（tag）从而将VLAN延伸到整个网络，而802.1Q VLAN的去标记（untagged）则使得OLT可以和所有合法的、无法识别VLAN标记的交换机一起工作；OLT还有一些内部保留VLAN是基于端口划分，加入同一个VLAN的端口形成一个广播域，可以实现二层互通，不在同一个VLAN内的端口之间在二层则不能直接通信。传统OLT上比较特殊的一个（或多个）VLAN是管理VLAN，这种VLAN可以配置IP地址来和网管服务器进行通信，方便网络管理员对OLT进行配置管理。
在传统意义的三层设备中，VLAN是指三层虚接口，它们可以配置IP地址形成路由接口。因此，在OLT上实现三层路由首先必须创建三层接口。本设计采用SUPER-VLAN技术来解决二层VLAN和三层接口的矛盾。SUPER-VLAN也叫VLAN聚合，由SUB-VLAN和SUPER-VLAN组成，它的SUB-VLAN是二层实VLAN，不同VLAN之间在二层不能互通；SUPER-VLAN是三层虚VLAN，多个SUB-VLAN可以添加到同一个SUPER-VLAN，然后在SUPER-VLAN上配置IP地址形成三层接口。路由接口是OSPF方案设计进行的基础。
1.2基于SUPER-VLAN技术的三层接口设计
OLT上的三层接口由SUPER-VLAN来提供，SU-PER-VLAN三层转发的基本原理如下[3]：如图1所示，PC1和PC3属于不同的SUPER-VLAN，即不同的网段。垮网段设备的通信需要通过三层接口交互。PC1与PC3通信的过程如下：
① 通过比较IP地址和掩码PC1知道PC3与自己不在同一个网段，PC1向网关发送一个ARP报文请求网关的MAC；
② 网关SUPER-VLAN 100回应自己的MAC 00-00-00-00-00-01给PC1；
③ PC1收到应答后发送目的MAC为00-00-00-00-00-01、目的IP为
④ SUPER-VLAN 100收到报文后发现目的MAC是自己的MAC，就知道是三层转发，从而去查三层转发表;
⑤ 查找到下一跳的出口是SUPER-VLAN 200，就把报文发给SUPER-VLAN 200；
⑥ SUPER-VLAN 200收到报文，将报文转发给PC3。
现在考虑PC1和PC2的通信流程。比较PC1和PC2的IP地址可以知道二者同属于一个子网，PC1就会广播ARP报文请求PC2的MAC。而由于PC1和PC2不在同一个SUB-VLAN中，ARP广播报文不能到达PC2。此时，SUPER-VLAN就需要发挥它的另一个重要作用--ARP PROXY。SUPER-VLAN的ARPPROXY功能工作流程如下：
① PC1广播一个ARP报文请求PC2的MAC；
② SUPER-VLAN 100发现PC2不在SUB-VLAN1内，就代理接受该ARP报文；
③ SUPER-VLAN100在SUB-VLAN 2内广播ARP报文请求PC2的MAC地址；
④ PC2应答ARP请求，将自己的MAC 00-00-00-00-00-03发送给SUPER-VLAN 100;
⑤ SUPER-VLAN 100作为网关应答PC1的ARP请求，将自己的MAC 00-00-00-00-00-01当作PC2的MAC发送给PC1。后续PC1发送给PC2的报文就会将带上目的MAC 00-00-00-00-00-01、目的I
2路由软件设计
2.1路由管理模块设计
路由可以分为静态路由和动态路由两大类。静态路由由网络管理者直接配置产生，动态路由由路由协议学习生成。为了实现软件路由表和交换芯片路由表的同步和路由择优等功能，需要进行路由信息收集、过滤、优选等操作，因此系统中需要路由管理模块维护不同的路由表项。路由管理模块（RTM）位于各软硬件平台驱动层之上，三层功能协议层及管理层之下，是三层功能实现的核心模块。根据设计，它在系统中需要完成的工作如下：
① 管理员配置添加三层接口，包括添加SUPER-VLAN、SUB-VLAN以及IP；
② 接口管理模块向路由管理模块通告接口事件，如接口的UP/DOWN事件；
③ 协议模块学习到动态路由，进行动态路由的添加/删除；
④ 路由管理模块处理接口变化事件，并通知各三层功能协议模块；同时管理来自协议模块的动态路由的写入与删除；
⑤ OS IP协议栈ARP功能提供主机路由表的维护，并向路由管理模块提供路由条目中下一跳Gate-way相关的ARP功能；
⑥ 交换芯片驱动为路由管理模块提供硬件FIB表的删除与写入功能。
⑦ OS IP协议栈向路由管理模块提供硬件FIB表的删除与写入功能。
对应上述功能，设计将路由管理模块划分成更小的模块来分别实现。如图2所示，路由管理模块（RTM）由路由表控制模块（RTM_CTRL）、主机路由控制模块、管理与配置模块、动态路由消息处理模块、接口消息处理模块、操作系统适配层以及驱动适配层组成。
路由表（RIB table）由节点链表组成，每个节点表示到达一个目的网段的所有路由。如图3所示，每一个node中都记录3张RIB表，分别是RIB-active表、RIB-standby表和RIB-pend表，每一个表的子项都是到达该目的网段的路由信息，即RIB路由条目、RIB里面记录路由类型（RIP/OSPF/静态等）、下一跳网关、距离、metric和生成时间等。
RIB-active中的RIB路由表示当前激活的路由，该路由会被写入到硬件FIB和OS FIB中去，实现业务流的三层转发功能。通常一个目的网段只有一个active路由。
RIB-standby中的路由条目是可到达但不是最优路径的路由，当active路由不可用时，路由管理模块会在standby RIB找一个最优路由升级为active路由。
RIB-pend路由表中的路由是由于该路由的下一跳网关不可达（查ARP表）而暂时挂起的路由路径，当下一跳网关可达后，该路由会升级为standby路由或者是active路由。