无线宽带在二层行业专网中的应用研究

摘  要：本文介绍了无线宽带和部分行业装完的特点，重点描述了无线宽带在行业应用时的网络框架及引起的相关问题。通过对相关问题的分析，找到了相应的解决措施，并完整了验证。无线宽带结合行业应用必将继续深入，本文涉及的相关应用经验对无线宽带与行业应用结合，有一定的借鉴意义。

关键词：无线宽带;网络风暴;行业专网;TD-LTE;4G;5G;

移动通信技术高速发展，已经由基于LTE的4G网络迈向更高带宽、更小时延、更大容量的5G网络。基于移动通信技术的无线宽带及产品，在4G网络时代已经在行业专网中实现了广泛应用。在部分行业专网应用中，因为网络规模较小、二层网络可以实现随遇接入和地址固定等原因，仍然沿用二层网络的架构。无线宽带在该类行业专网中应用时，需要适配二层网络的架构，并解决在二层网络架构中的相关问题。

1.无线宽带和行业专网特点

TD-LTE是我国具备自主知识产权的新一代无线宽带技术，采用了正交频分复用、多输入多输出等多种先进的无线通信技术，提升了传输数据吞吐率、覆盖范围和在線用户数。

基于TD-LTE的无线宽带技术，主要解决以下几个方面的问题：

1）提升数据吞吐率及频谱利用效率，在带宽资源匮乏的情况下，满足行业用户对数据业务的速率要求;

2）TD-LTE 采用时分双工（Time Division Duplexing，TDD）模式，上下行使用同一频段，可有效节省带宽资源，可以应对行业专网频段资源少的问题;

3）TD-LTE 上下行时隙子帧的配比可调，可以根据行业用户的实际需求，调节用户的上下行数据比例;

4）TD-LTE 采用扁平化组网方案，减少网元层次，有效降低了数据传输时延，满足行业在控制命令、实时视频回传等方面的应用。

基于TD-LTE的4G网络架构如下图1所示，包括分组核心网EPC、基站E-NodeB和设备UE三个部分组成，其中EPC由PDN S-GW和移动性管理实体MME/S-GW组成。

4G网络为三层网络，而在实际的行业应用中，考虑到业务地址固定、网络规模小、随遇接入等方面，部分行业网络采用二层网络架构。因此，在行业应用时，需要采用VPN隧道技术，将三层隧道网络封装为二层网络。

在二层网络下，以太网交换机收到数据报文时，检查目的MAC地址，然后把数据从目的MAC地址所在的接口转发出去。交换机之所以能实现这一功能，是因为交换机内部有一个MAC地址表，MAC地址表记录了网络中所有MAC地址与该交换机各端口的对应信息。某一数据报文需要转发时，交换机根据该数据报文的目的MAC地址来查找MAC地址表，从而得到该地址对应的端口，即知道具有该MAC地址的设备是连接在交换机的哪个端口上，然后交换机把数据报文从该端口转发出去。具体如下：

1） 交换机根据收到数据报文中的源MAC地址建立该地址同交换机端口的映射，并将其写入MAC地址表中;

2） 交换机将数据报文中的目的MAC地址同已建立的MAC地址表进行比较，以决定由哪个端口进行转发;

3） 如数据报文中的目的MAC地址不在MAC地址表中，则向除了源端口之外的所有端口转发。向所有端口转发的过程称为泛洪;

4） 广播报文和组播报文向除了源端口之外的所有端口转发。

从上述过程不难看出，传统的二层网络结构模式虽然运行简便，但是在很大程度上限制了网络规模的扩大，由于传统的网络结构中采用的是广播的方式来实现数据的传输，极易形成网络风暴，进而造成网络的瘫痪。

2.技术应用

2.1整体应用框架

为了适应行业应用，在具体设计时，通过增加隧道功能，将三层无线宽带网络封装为二层网络，设计方案如图2所示。在基站核心网后端增加了隧道服务器，在终端侧增加了隧道客户端。当无线网络连接建立后，隧道客户端和隧道服务器建立隧道关系，从而使得无线宽带网络在行业专网中作为二层网络应用。

具体实现隧道时，经过对几种主要隧道协议PPTP、L2TP、IPSEC和SSLVPN的对比，选择了SSLVPN作为隧道实现的协议。SSL协议支持数据私密性、端点验证和信息完整性等特性。SSL协议主要由两个子协议构成，分别是握手协议和记录协议。握手协议允许客户端和服务器在数据传输建立以前，彼此确认，从而协商确定一种加密算法和密码钥匙。握手协议完成后，进入数据传输期间，此时记录协议利用握手协议生成的密钥加密和解密传输的数据。SSL独立于应用，可以提供安全性和便利性，应用程序运行时不需要知道SSL的具体执行细节。SSL位于网络结构体系的应用层和传输层之间。

在二层行业专网应用时，除了无线宽带系统，还有其他有线传输方式，由无线宽带和其他有线连接方式共同构成的网络架构如下图所示。

2.2应用中出现的问题

二层网络中，形成环路后会产生网络风暴。应用中通过生成树协议（STP）去除环路，来解决环路情况下风暴问题。在链路通或者均不通的情况下（见下图图4），不会出现风暴无法恢复的情况。

但是如果链路存在单通（具体见下图5，则可能会出现STP协议无法去除环路，从而形成持续风暴的问题。在实际工程应用中，确实出现了无线宽带链路单通，从而导致网络风暴的情况。

2.3问题分析

在出现问题后，对无线宽带网络进行了分析，发现导致无线宽带单通的具体的原因包括调度异常和链路拥塞等情况。

当调度出现异常，个别UE始终无法获得某个方向的调度，会导致无线宽带链路单通;上行或者下行受到干扰，导致一个方向无资源可调度，同样会造成无线宽带链路单通。

对于链路拥塞的问题，主要由于网络中存在数据风暴或者信道较差、数据量较大超出信道传输带宽导致堵塞。而此时没有STP报文优先传输的机制，在链路拥塞的情况下STP报文得不到有效传输，导致交换机STP判断错误，在交换机不能正确做出切除网络环路的情况下导致网络不能恢复正常。

2.4应用问题解决

针对调度异常的问题，优化调度机制，確保不会出现个别UE无法获得调度的情况。

为了更可靠的防止链路单通导致交换机STP协议判断错误，不能正确处理网络环路引起网络风暴，我们在隧道侧进行链路单通进行处理。具体修改措施如下：隧道协议进行双向确认，形成双向的隧道表。

隧道原先的处理机制未考虑链路单通情形，之前处理方案是为了保障客户端设备在信号较差情况出现下线再上线后业务能立即通信，缺少双向确认机制，对原先的链路表老化时间较长。隧道现有改动添加了对双向链路的监测，隧道增加链路心跳机制，在发现链路单通时，及时拆除之间隧道关系，使链路双向都不通。

使用优化后的版本进行测试验证，构造链路单通场景进行多次实验，未能复现网络风暴问题，证实该措施有效。

针对链路拥塞出现网络风暴问题采取两项措施：

1）在隧道入口对除了STP报文外的其他广播、组播报文进行限速;

2）提高STP报文传输的优先级。

组播和广播报文抑制主要针对STP、OSPF及ARP报文，在网络正常时，STP的BPDU报文hell time时间一般为2S，ospf的hell报文为10S一个，ARP报文的老化时间一般为2分钟或以上，所以在网络正常情况下的这几类报文在网络中传输的数量不会太多，按隧道限速每秒500个不会造成报文丢失。

在发生网络风暴情形下，由于广播、组播报文被大量转发，导致网络中这类报文数量不断增加，充斥了整个网络，导致网络拥塞，而且网络拥塞情况下STP报文也可能被丢弃，所以我们一方面需要对报文进行抑制，另一方面需要优先保证STP报文传输。通过隧道对OSPF及ARP报文进行限制，stp报文不做限制，且提高STP传输优先级，使交换机正确处理网络环路消除网络风暴。

STP报文优先具体措施如下：

1） 隧道对STP报文封装填写DSCP值：隧道进行STP封装时对IP报文头部的服务类别TOS标识键入DSCP值;

2） 基站核心网对IP报文进行优先级区分，STP报文通过专用承载传输：核心网配置根据DSCP的优先级，STP报文DSCP值在核心网TOS配置范围内通过专用承载优先传输。

在网络存在环路时，交换机通过STP功能进行去环处理，但网络的复杂性可能存在短暂的数据风暴，数据风暴产生大量OSPF、ARP报文，导致网络拥塞。报文发送到无线传输信道会被大量丢弃，如果STP报文被丢弃，交换机就无法对目前环路做成正确的处理，导致网络风暴加剧，形成持续的网络风暴。

为了保证处理网络环路情况下STP报文能全部通过无线链路转发出去，在隧道侧对报文进行封装时，对STP报文和其他报文做优先级区分处理。核心网侧收到隧道封装的报文后根据优先级不同，将STP报文从专用承载优先转发，保证STP报文不会丢失。交换机收到STP报文后进行环路处理，风暴消除，网络状态恢复。

2.5解决方案验证

实施解决方案后，在实验室搭建环境，对实施方案的有效性进行验证。在故意制造无线宽带干扰导致某一方向无调度和故意制造网络风波导致网络拥塞的情况下，无线宽带链路均不会出现网络拥塞。

实验室验证通过后，在实际的行业专网应用场景进行了验证，验证通过。从实施相关方案，实际应用2年以上，未出现单通导致网络风暴的情况，进一步验证了方案的有效性。

3 总结

本文介绍了无线宽带在行业专网中的应用和出现的相关问题、问题分析、解决方案和验证情况。无线宽带在高速发展，已经由4G网络发展向5G网络，相关应用问题的解决对未来5G网络的行业应用也有一定的借鉴意义。

参考文献：

[1] 雷鸣.  二层网络与三层网络的对比. 2015年 .

[2] 邵建. 4G LTE的关键技术及其现网实践，2015年 .

[3] 邱劲，基于SSL协议的VPN网关的设计与实现，2012年.

作者简介：郝慧峰，1984年1月，男，籍贯：内蒙古鄂尔多斯市，汉族，博士，工程师，研究方向：无线宽带通信系统、5G专网通信。