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摘要：传统网元设备在接入网络时，除了默认的基础的预置配置（如网元IP地址，端口模式，主要协议配置等出厂配置）外，还需要根据互联网元设备的端口IP地址，配置本端端口同网段IP地址，手动将IP地址所在网段配置到OSPF（OSPF： Open Shortest Path First，开放式最短路径优先）协议中，并将端口IP地址、OSPF路由配置进行保存，从而实现网元设备的接入。该方法不能实现网元设备的随遇接入，不适合大规模网元组网部署、具备快速网络开通要求的网络环境。本文介绍了一种基于LLDP协议（LLDP：Link Layer Discovery Protocol，链路层发现协议）选举产生网络中的MasterInterface，由SlaveInterface节点发起IP地址请求，MasterInterface节点统一给SlaveInterface节点分配唯一的IP地址，并自动在OSPF域中宣告路由，从而实现网元设备的随遇接入的实现方法。

关键词： LLDP协议，OSPF路由，快速开通，随遇接入

引言

传统网元设备接入网络时，需要手动添加互联端口的IP地址、配置OSPF动态路由配置，并把相应的配置永久性的保存在设备配置中，从而实现网元设备再次上电时，网络自动互联互通。该接入方法不能适应大规模网元组网的特性：设备多、网元设备拓扑可变化、新网元随遇接入、任意替换在网设备等特性。大规模网络组网初期需求人工规划网络拓扑，规划相应互联端口IP地址，并花费大量时间生成设备初始化配置。且当网元设备发生变化，或者网元设备互联端口发生变化时，不能自动更新端口IP地址、OSPF路由配置，从而导致网络拓扑发生变化后，路由不能自愈，而需要人工干涉，根据拓扑变化，重新配置端口IP地址、更新OSPF路由配置并重新永久性保存。针对传统网元设备的不足，本文设计了一种自动IP地址分配、自动宣告OSPF路由的方法，基于该方法，可大大降低大规模网络开通时间。同时当网络拓扑发生变化时，互联端口之间可自行协商IP地址，并自动更新OSPF路由，从而实现不需要人工干预，即可重新打通网络路由，从而大大提高了网络的自愈能力。

一、实现方案

本方法基于LLDP二层链路发现协议实现互联设备端口间的MasterInterface选举，未被选举为MasterInterface的网元设备端口均为SlaveInterface。MasterInterface节点从地址池取出合法IP地址，并通过LLDP扩展报文发送IP地址给邻居的SlaveInterface节点，SlaveInterface节点收到扩展LLDP报文后，从邻居列表中取出与自身MAC地址匹配的节点信息，获取其中的IP地址，并把IP地址配置到本地端口上，从而实现IP地址的自动配置。完成端口IP地址配置后，通知OSPF模块，宣告端口IP地址所在网段到OSPF域中，将该端口网段在OSPF域中扩散，从而实现网元设备之间的路由自动打通。

二、软件设计

（一）端口IP地址自动分配

1、选举MasterInterface

（1）二层链路发现协议扩展

标准以太网报文格式封装的LLDP帧如下：

相关各字段说明如下：

DA：目的MAC地址，LLDP报文的目的地址固定为组播地址0180.C200.000E。

SA：源MAC地址，为设备端口MAC地址或设备MAC地址（如果端口有地址则用端口MAC地址，否则用设备MAC地址）。

EthType：协议类型，LLDP的协议号为0x88CC。

DATA：载荷部分为各个TLVs，本文描述的方法主要依靠增加扩展的TLVs实现选举、IP地址分配。

FCS：帧校验。

LLDP报文的数据部分采用TLVs格式封装，TLV即Type+Length+Value。其中type表示TLV类型，length是以字节为单位的TLV长度，value是该TLV的值。其中Chassis ID、Port ID、Time To Live以及End of LLDPDU是强制必须包含的部分。

为了满足本文设计，利用LLDP报文中的保留字段进行扩展，增加MasterInterface、选举属性、邻居三种TLVs，个字段作用说明如下：

MasterInterface TLV：内容为MasterInterface节点的MAC地址，当子网内的各端口完成选举后，该TLV填充选举的MasterInterface节点的MAC地址。该TLV为可选TLV，即互联网元未完成选举时，该TLV不填。

选举属性 TLV：该TLV包含本端口IP地址、端口类型、端口优先级等选举属性。端口优先级的范围为1～100，值越大，优先级越高。通过配置端口的优先级，可人为地指定端口为MasterInterface。该TLV为MasterInterface选举所必须，因此该TLV为必须TLV。

邻居TLV：该TLV包含本子网内所有邻居节点信息，包括所有邻居MAC地址、端口IP地址等。该TLV为可选TLV，即互联网元未完成LLDP交互时，该TLV不填。

（2）选举流程

网元设备完成上电启动加载后，开始交互LLDP报文，未完成选举时LLDP报文不包含MasterInterface TLV和邻居TLV，只包含选举属性 TLV。

网元设备首次接收邻居网元LLDP报文后，记录邻居网元MAC地址、邻居端口IP地址以及邻居端口优先级，设置邻居节点状态为初始化状态。网元设备接收邻居网元LLDP报文，发现邻居LLDP报文中的邻居TLV包含本端MAC地址，则将邻居状态设置为连接建立，并进入选举流程。

互联的网元设备独立完成选举，若互联的网元设备端口优先级不相同，则优先级高的端口直接成为MasterInterface，进入IP地址分配流程。若互联的网元设备端口优先级相同，则通过比较本地MAC地址与邻居MAC地址实现MasterInterface选举，MAC地址大的作为MasterInterface，其余接口均为SlaveInterface。

完成MasterInterface选举后，若本端口被选举为MasterInterface，进入IP地址分配流程，更新本端邻居链表、选举属性TLV以及本地端口角色。发送LLDP报文内容时，添加MasterInterface TLV和邻居TLV。若本端口为SlaveInterface，则等待MasterInterface节点分配IP地址，发送的LLDP报文，添加本地选举产生的MasterInterface TLV和邻居TLV。

完成选举后，若MasterInterface接收的邻居LLDP报文中的MasterInterface与本端的一致，且邻居状态为连接建立，则进入IP地址分配流程，否则删除本地MasterInterface信息，重新进行MasterInterface选举。

2、IP地址分配

（1）IP地址表示方式

在大规模网元设备组网环境中，由于所有网元设备端口地址均通过OSPF扩散，如果网络中出现某两个网元端口IP地址相同，则会造成IP地址冲突，导致OSPF路由震荡，影响网络的稳定性。网络中的网元设备有一个唯一的IP地址表示该网元IP地址，该IP地址也会在OSPF域中进行扩散。为确保全网IP地址的唯一性，本文使用一种IP生成规则，IP地址表示形式如下所示：

网元IP地址：网元IP地址转化成16进制后的高16bit，假设网元IP地址为32.1.0.1，则自动分配的端口IP地址可确定为32.1.x.x。

端口序号：由于网元设备的端口序号范围一般是1～128，如果互联端口为10，则自动分配的端口IP地址可确定为32.1.10.x。考虑到软件的兼容性可通过调整端口序号与主机号占用bit位数，扩展端口序号和主机号数量。

主机号：主机号由8个bit表示，且255为广播地址，0为无效地址，因此正常可用的主机号为1～254。考虑到软件的兼容性可通过调整端口序号与主机号占用bit位数，扩展端口序号和主机号数量。在本文叙述的算法中MasterInterface固定配置的主机号为1，SlaveInterface则根据所在邻居链表中的位置从2开始依次分配，假如MasterInterface邻居链表中有2个邻居，他们在邻居链表中的位置分别是第1个和第2个，则他们的主机号为2，3。

如下图2所示，网络中有3个网元，其网元IP地址分别是23.1.0.1、23.2.0.1、23.3.0.1，其三台网元设备之间互联口分别是PORT10、PORT11、PORT12，则最终三台设备互联端口上的IP地址分别为：23.1.10.1/24、23.1.10.2/24、23.1.10.3/24.

（2）IP地址分配流程

MasterInterface节点完成选举后，如果接收到邻居LLDP报文后，检测到邻居携带的MasterInterface节点 TLV为自己的MAC地址，则进入IP地址分配流程。MasterInterface节点首先从IP地址池中取一个IP地址给本端口，已使用的IP地址不能再从地址池中取得。给本端口分配IP地址后，遍历邻居链表，依次给各邻居分配IP地址。

SlaveInterface节点接收到MasterInterface节点发送的LLDP报文后，检查LLDP报文中携带的MasterInterface节点 TLV中的MAC地址和本地MasterInterface选举结果一致，则从邻居链表中提取出本端信息，获取信息中的IP地址，并将IP地址配置到端口上，完成IP地址配置流程。

（二）OSPF路由宣告

新入网网元设备互联端口IP地址完成自动分配后，还需要在OSPF域中进行宣告，才能把端口IP地址网段扩散到网络中，使得网络中的其他设备可以路由到新入网设备。网元设备端口IP地址完成配置后，通知OSPF模块配置IP地址所在网络号到OSPF域中，由OSPF将该网段扩散到全网。本文主要叙述单个域的OSPF路由宣告，不涉及多域OSPF路由，因此OSPF宣告路由时，默认均为域0路由。

网元互联端口需要配置相同的hello报文发包间隔、老化时间、以及端口网络模式，在本文设计的软件中所有网元互联端口hello报文发包间隔固定为10s，老化时间固定为40s，由于网络组网形式可能存在一对一或者一对多的互联方式，因此端口网络模式固定为broadcast模式。

网元设备端口IP地址发送变化时，如果新IP地址网段相同，则无需处理OSPF路由配置。如果新IP地址网段与原端口IP地址网段不同，则需要将原来宣告的网段从OSPF域中删除，并添加新的网段到OSPF域中。

三、功能验证

（一）端口优先级相同的IP地址分配

预置条件：测试网元设备拓扑如下图3所示，网元A和网元B通过PORT 3互联，两设备出厂配置均配置了网元IP地址，且均使能了LLDP。网元A的PORT 3和网元B的PORT 3端口优先级均为10，端口上均未配置IP地址。

测试结果：由于网元A的PORT 3和网元B的PORT 3的端口优先级均为10，因此通过比较网元B和网元A的MAC地址进行MasterInterface选举。由图可见网元B的MAC地址比网元A的大，因此网元B的PORT 3被选举为MasterInterface，网元A的PORT 3则为SlaveInterface。完成选举后两网元端口上的IP地址如下图所示，且在网元A上可直接ping通网元B的IP地址。

（二）端口优先级不同的IP地址分配

预置条件：测试网元设备拓扑如下图4所示，网元A和网元B通过PORT 3互联，两设备出厂配置均配置了网元IP地址，且均使能了LLDP。网元A的PORT 3的端口优先级为50，网元B的PORT 3端口优先级为10，端口上均未配置IP地址。

测试结果：网元A的MAC地址小于网元B的MAC地址，但网元A的PORT 3的端口优先级为50，网元B的PORT 3的端口优先级为10，因此不需要比较端口MAC地址即可指定网元A的PORT 3为MasterInterface，网元B的PORT 3则为SlaveInterface。两网元端口上的IP地址如下图所示，且在网元A上可直接ping通网元B的IP地址。

（三）新网元随遇接入

预置条件：测试网元设备拓扑如下图5所示，网元A和网元B通过PORT 3互联，两设备出厂配置均配置了网元IP地址，且均使能了LLDP。网元A的PORT 3和网元B的PORT 3端口优先级均为10，端口上自动完成IP地址配置如下图5所示。网元C以进行了出厂配置其网元IP地址为23.3.0.1，MAC地址为MAC：0001.0002.0012，使能了LLDP协议，网元C的PORT2，3端口优先级均为10，两端口均未配置IP地址。

操作步骤：网元C的PORT 2通过有线连接网元B的PORT 2，网元C的PORT 3通过有线连接网元A的PORT 2。

测试结果：网元A的PORT 2与网元C的PORT 3端口优先级均为10，且网元C的MAC地址比网元A的大，因此网元C的PORT3作为MasterInterface分配IP地址，网元A的PORT2端口IP地址为23.3.3.2/24，网元C的PORT 3端口IP地址为23.3.3.1/24。网元B的PORT 2与网元C的PORT 2端口优先级均为10，且网元C的MAC地址比网元B的大，因此网元C的PORT 2作为MasterInterface分配IP地址，网元B的PORT 2端口IP地址为23.3.2.2/24，网元C的PORT 2端口IP地址为23.3.2.1/24，且三个网元设备两两之间均能ping通。

四、结束语

本文针对传统规模组网场景下，网络开通耗费大量人力进行网络拓扑规划、端口IP地址规划，网络拓扑发生变化时，不能自动更新各端口IP地址、自动更新OSPF路由宣告配置等缺点，设计实现了一种基于LLDP自动IP地址分配，自动在OSPF域中宣告相应IP地址网段，从而实现不需要人工干预情况下的随遇接入。本实现只需出厂固化网元IP地址、使能LLDP协议，不需要预先规划全网端口IP地址，且在网络拓扑发生变化时，能自动分配新的IP地址，更新OSPF路由信息，从而提升了网络的自愈能力。

参考文献：

陈国良，郑松奕.IP地址分配和用户权限控制的部署与优化[J].数字技术与应用.2023，第010期.

戴翰，黄俊文，芩加文.5G终端用户面IP地址分配技术[J].广播电视网络.2021，第010期.

王一蓉，周颖，王艳茹.电力无线虚拟专网组网架构及IP地址分配研究[J].电力信息与通信技术.2014，第006期.

作者简介：黄柏华，工程师，现就职于中国电子科技集团公司第三十四研究所，主要研究方向为光传输技术，OTN设备研发和网络协议开发。