1 背景技术
地铁网络具有用户量大、流动频繁等特性，给网络可靠性技术带来极大挑战。现有交通方案Supvlan+VRRP+WEB认证为核心技术，网络规划：认证上收到网络核心，汇聚设备为地铁线路控制中心，每台汇聚设备控制1～2条地铁线路，每台汇聚设备下挂5～7台接入设备，每台接入设备控制6个地铁站，每个地铁站分配一个Subvlan，每个控制中心规划一个Supervlan，如图1所示。
图1 地铁局部网络拓扑图
2 现有轨道交通方案核心设备性能瓶颈及资源使用不均衡问题
当前方案DHCP地址是根据vrrp组来分配，若某个地址池已分配的IP地址超过阈值TH，则新上线的用户会被分配到其他负载较低的地址池中，DHCP-Server轮询所有地址池，最后将符合条件地址池的IP地址分配给用户。这种方法对于已承担大量用户认证的核心设备DHCP-Server压力大，特别是某台核心宕机，大量新用户上线，每一个新用户发送DHCP discover报文，都在所有地址池中轮询一次，导致DHCP-Server性能成瓶颈。从而造成整网中大量新上线的用户无法实时的正确的获取动态IP地址和认证。
另外，现有的技术是由两台核心设备构成2个vrrp备份组且互为主备关系来确保负载均衡。但这与Subvlan毫无关系，在极端情况下，可能会出现所有Subvlan的用户均在1台NAS上获取地址与认证。在大量并发用户认证下，出现某台或某些NAS负担过重，导致出现用户认证缓慢，甚至无法认证的问题。
因此，在现有的地铁网络环境中，如何保证负载均衡和降低核心设备性能瓶颈的风险，是当前亟待解决的问题。
3 设备性能瓶颈及资源使用不均衡解决方法研究
鉴于上述现有方案的缺陷，本文提出了更加稳定、可靠的技术方案：
方案A：“N+1”台核心设备分布式备份。由“N+1”台核心设备组ERPS环，其中N台中每2台分别各启2对vrrp组，即N个用户虚网关，1为冗余核心备机，即用户实网关，所有核心设备通过ERPS环网实现时时热备。当VRRP热备组某台核心设备宕机，其热备组备机会切换为主机，成为双主机，宕机设备上已认证的用户会通过新主机上网。对于新上线用户，采用分布式备份法，首先，DHCP Server为其分配新主机对应地址池的IP地址；其次，当已分配地址数量达到阈值TH，DHCP Server为其分配实网关对应的地址池的IP地址，并在实网关上认证。
方案B：均衡分割。将站台规划的Subvlan分2组，利用MSTP实例功能，其中一组映射为MSTP的实例1，另一组映射为实例2。在汇聚设备上新增REUP协议：可设置其中一个端口为实例1主端口，实例2从端口；另一个端口为实例2主端口，实例1从端口，同时保证主要主端口才会转发用户报文，实现用户均衡地分配到各台核心设备。
3.1 方案A：“N+1”台核心设备分布式备份
如图2所示，本文中N取6，共计7台核心设备组ERPS环，其中设备A/B，C/D，E/F为3个热备组，每个热备组中有2对vrrp组，即6个用户虚网关（IPvrrp1~ IPvrrp6）；设备G做冗余备机（IPG），即用户实网关。规划核心设备C/D为DHCP-Server，配置地址池7个（记为地址池1~7），分别与7个网关一一对应，如IPvrrp1为10.1.0.1/16，地址池1为10.1.0.0/16。其他设备均启动DHCP-Snooping，为该设备下联用户DHCP discover报文封装vrrp虚网关地址并透传到DHCP-Server，DHCP-Server根据discover报文中的vrrp信息，分配对应地址池的IP给用户。
图2 “6+1”台核心设备组成ERPS环网
当设备A下联有大量用户上线，新上线用户发送的DHCP discover报文携带的网关信息为IPvrrp1，首先，DHCP Server为其分配地址池1的地址；其次，当地址池1已分配的IP总数达到阈值TH时，DHCP Server分配地址池7的IP地址给新上线用户。当6台核心设备中的某台核心设备（如A）宕机，设备B立即切换为主机，即设备B为vrrp1,2的双主机，核心 A上已认证的用户会通过核心B上网；对于新上线用户，其DHCP discover报文携带的网关信息为IPvrrp1和IPvrrp2，DHCP Server通过bfd检测到核心A宕机，首先为其分配地址池2的IP地址，其次在地址池2已分配地址数达到阈值TH后，DHCP Server为其分配地址池7的IP地址，并在设备G上认证（以设备A为例，其他核心设备类似，不再赘述）。
下面结合图3和图4，分别在正常和宕机情况下，用户分布式获取IP地址过程给出本解决方案的具体分析。
图3 设备下联用户分布式获取IP地址
图4 宕机设备下联用户分布式获取IP地址
3.2 方案B：均衡分割
如图1所示，将汇聚设备Subvlan分为2组，其中一组映射为MSTP的实例1，另一组映射为实例2。在汇聚设备上配置REUP协议，其中一个端口为实例1主端口，实例2从端口；另一个端口为实例2主端口，实例1从端口。按REUP均衡分割原理，各实例只有主端口转发；当主端口故障从端口切换为新主端口，立即从新主端口转发。从而实现基于REUP对Subvlan的均衡分割和热备，用户均衡地分配到各台核心设备上，避免单台核心出现资源负载瓶颈。
下面结合图5均衡分割和热备过程给出本解决方案具体分析。
图5 Subvlan均衡分割过程
301：用户发送报文，接入设备下联为Access口，该报文携带vlanID上送汇聚设备。汇聚设备收到该报文，得到其对应的Subvlan信息。
302：在汇聚设备上配置REUP协议，作用于两个端口。其中一个端口为实例1的主端口，实例2的从端口；另一个端口为实例2的主端口，实例1的从端口。实例由主端口转发，主端口状态为down时，从端口切换为主端口。
303：一半Subvlan映射为实例1，另一半映射为实例2。汇聚设备根据Subvlan映射的实例，查找对应的主、从端口。
304：查看主端口状态是否为up，若为up，步骤305；否则，步骤307。
305：用户报文在汇聚设备上由主端口转发至NAS。
306：根据用户报文源IP地址对应的NAS（网关），在该NAS上完成认证或上网操作。
307：主端口状态为down，从端口切换为新主端口。
308：查看新主端口的状态是否为up，若为up，步骤309；否则，步骤310。
309：用户报文在汇聚设备上由新主端口转发至NAS。
310：汇聚设备上两个端口的状态均为down，该用户报文被丢弃
4 结语
综上所述，本方案的核心在于，首先，提出“6+1”台核心设备分布式备份，其中1台为冗余备机，当某台主机出现宕机时，原备机切换为新主机，如果新主机对应地址池已分配的地址数量超过阈值时，则直接跳转到冗余备机分配地址，从而解决核心设备由于地址池间地址轮询导致性能瓶颈。其次，基于REUP对Subvlan的均衡分割，使得新上线和已认证用户均衡地分配到各台核心设备上，最终达到提高地铁网络稳定性和可靠性的效果。
参考文献
[1]P. Jhingran a，G. Halwasia．Client Identifier Option in DHCP Server Replies[EB/OL]．www.rfc-editor.org/rfc/rfc6842.txt．
[2]P.Hallam-Baker．HTTP Authentication: Basic and Digest Access Authentication[EB/OL]．www.rfc-editor.org/rfc/rfc2617.txt．
[3]朱明程，王霄峻．网络规划与优化技术[M]．北京：人民邮电出版社，2018．
收稿日期：2018-09-07
作者简介：吴世奇（1977-），男，福建福州人，锐捷网络股份有限公司工程师，研究方向：网络通信。
