作者简介
Lightworker，携程网络技术专家，关注光纤通信、DCI传输技术领域。
一、背景
光传输网络（简称OTN）是一种基于光纤技术的通信网络。它利用光纤作为传输介质，将信息以光的形式进行传输。其凭借DWDM（密集型波分复用）技术以及保护倒换技术，可以实现大带宽、低延迟、高可靠的数据传输，因此广泛应用于多个数据中心互联场景。国内外大型互联网公司通过租用运营商光纤自建传输网络，能够大大降低IDC之间数据传输的成本。同样，携程也拥有自建的光传输网络（简称TOTN），主要用于承载骨干网跨数据中心流量以及IT办公上网流量。
作为底层物理网络，TOTN直接面对运营商光缆，需应对频繁出现的光缆故障。众所周知，国内基建仍处于发展阶段，运营商光缆经常被施工挖断。据美国运营商Level3的统计，其光纤网络大概每年每千公里就会中断1次；中国电信大概每年会发生50次以上干线光缆中断；而在印度，几乎每天都会中断几次甚至十几次。可见，光缆中断的次数与当地社会经济的发展程度密切相关。
携程TOTN自建成以来，平均每年监测到20余次光缆中断。因此在提供大容量传输的同时，如果能够在发生光缆故障的时候，光网络可以自动切换，使业务带宽不受影响，甚至不感知故障，将极大的提升网络可靠性。
图1 光缆挖断现场
二、整体架构
携程传输网络为双平面带保护设计，每个IDC部署完全独立的2套传输设备，分别连接2条不同路由的光纤，组成完全独立的2个传输平面。
图2 TOTN拓扑图
正常状态下，业务走在直达链路上，当主用光缆中断时，传输系统会将业务切换至备用通道绕行。主备通道切换时间遵循ITU-TG.783和ITU-TG.841标准，小于50ms。
图3 光网络保护
图4 光缆故障时业务流向
通过上述保护机制，能够解决光缆中断时业务自动切换，带宽不损失，并且抵御同时发生2处光缆中断的极端情况。
但与此同时，有一个问题一直困扰我们，就是传输切换的时候两端网络设备端口存在flapping的情况，导致业务有相应的报错产生。
三、问题分析
网络设备接口从down到up的时间因为不同设备不同光模块有差异，且网络层的二层及三层收敛时间因网络架构的不同存在不确定因素（通常认为是秒级中断），因此每次传输切换都会造成一定时间的业务不可用。通常表现在敏感业务的报错，如Redis。Redis作为内存数据库，对网络抖动非常敏感，几乎每次光缆中断切换都有感知。
比如3月17日12:00 传输A平面，光纤发生闪断，骨干网CSR in方向错包。
图5 骨干网报错
比如9月11日19:44 B平面光缆中断，传输切换时Redis大量报错，如下图：
图6 Redis报错
要解决传输切换导致网络设备端口flapping问题，业界一直没有成熟的标准方案。通过对其它互联网公司的调研，比较常用的方案是在交换机接口上配置link-delay，即路由器收到链路中断的信号后，延时一段时间将链路状态置为down，在这段时间里，如果链路恢复，即保持链路up状态，不产生down状态，避免了链路的频繁抖动。
我们也尝试了这种方式，但发现有诸如设备不支持、配置不生效等问题，一直无法达到预期的效果。原因是link delay不是IEEE标准，不同厂商的网络设备对该功能的支持不尽相同。为此，传输业务的分配只能分摊在不同的光缆路由，确保光缆中断时至少有一半业务不受影响，但这始终无法解决业务有感知的问题。例如A端至Z端需开通200G业务，必须分摊到两个不同平面，每个100G业务参与各自平面的倒换。
图7 业务分摊示意图
另外我们在调研中发现，有些公司为了使link-delay生效，将延时设置成2s。这样的设置虽然使传输保护倒换生效，但一旦保护机制出现故障，路由层面的切换将因此损失2s的宝贵时间。
四、技术研究
2023年，TOTN引入了支持5ms倒换的DCI产品，该产品通过二个方面的改进将传输50ms的倒换时间提升至5ms。一是应用了磁光开关，磁光开关原理是利用法拉第旋光效应, 通过外加磁场的变化来改变磁光晶体对入射偏振光偏振面的作用, 从而达到切换光路的作用。由于无机械移动部件, 可靠性高, 并且开关速度快；二是通过预先将备用通道的光缆参数录入DSP芯片，在倒换时节省了重新计算参数的时间。
图8 光开关原理
我们希望通过缩短光开关切换的时间，解决网络设备端口flapping的问题。但在实际应用中，即使传输倒换时间已经压缩到5ms，网络设备的端口仍然会flapping。通过对产品参数的研究和调试后，我们发现，当光缆中断时，传输光层会向两端电层板卡发送AIS信号，电层板卡收到AIS信号后会向网络设备发送Local_Fault告警，当网络设备收到该告警后，端口即变为down（IEEE 802.3ae）。通过设置传输系统延时发送该信号（默认4*50ms），只要传输切换在该时间段内完成，即不会向网络设备发送该信号，因此端口就不会flapping。
图9 故障信号传递示意图
在DCI产品成功实现了切换无感知后，我们希望在现网传统产品中也找到类似的参数进行调整。因为告警延时传递与5ms倒换时间无关，即使是50ms的倒换时间，如果能让网络设备端口不感知光缆抖动，也会对业务稳定性带来极大的提升。
五、 优化方案
为了实现网络传统产品支持无感切换，通过与厂商技术沟通，得出的结论是需要将100GE业务映射方式由BIT透明映射调整为MAC透明映射（会中断业务），然后再设置告警参数延时200ms传递。
由于TOTN从来没有使用过MAC透明映射方式，对此，我们协调设备厂商在实验室专门做了MAC映射和BIT映射的测试验证。结论是两种方式吞吐量没有区别，延时有差异，BIT映射时对64-9600Byte的帧都是24us，MAC映射时随帧长增大而增大，但最大9600时，也就25us，可以忽略不计。
图10 实验环境拓扑
图11 RFC2544测试结果
因此我们制定了优化方案，先调整传输A平面，灰度运行一段时间后再调整B平面。
六、 验证效果
8月18日对传输A平面进行优化：100GE业务映射方式采用MAC透明映射，告警参数延时传递200ms。经测试验证，可实现传输光缆主备切换对网络设备端口无感知，Redis无感知。
在真实的故障场景下也同样得到了验证。如9月7日15:13传输A平面发生光缆中断故障，Redis报错无异常尖峰。
图12 优化后Redis报错
经过经一个月的灰度验证后，我们于9月15日对传输B平面进行优化，并且将告警参数延时传递时间在200ms的基础进一步缩短至100ms，同样经测试验证Redis无感知。
七、 未来规划
为保持架构的统一性，我们将重新定义携程光网络设备技术标准，要求新入网的OTN设备必须支持BIT映射的告警延迟下插。同时，推动各供应商全面支持该功能，使之成为光缆故障场景下的一种最佳实践。
抵御光缆故障是个业界公认的难题，头部互联网公司都在此栽过跟头。通过上述一系列实践，我们在抵御光缆故障方面已经做到了领先水平。光网络运维是个长期过程，无感知切换只是其中一小部分，更多的是告警发现、性能监测以及光缆路由识别，避免同路由情况的发生。
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