雙交換機(jī)冗余網(wǎng)絡(luò)智能切換的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

劉新華（上海貝爾股份有限公司 WLPD，上海 201206）

1 引言

重要的通信與控制設(shè)備，其穩(wěn)定性對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定與業(yè)務(wù)至關(guān)重要。因此，為了確保這些重要設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，通常在其內(nèi)部使用了備份和冗余網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的一部分出現(xiàn)故障時(shí)，要求系統(tǒng)能迅速診斷并快速切換到備份和冗余的網(wǎng)絡(luò)，從而降低故障對(duì)系統(tǒng)的影響，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

在備份和冗余網(wǎng)絡(luò)中，通常采用的冗余方式是冗余鏈路 + 生成樹協(xié)議（如STP/RSTP）。在這種方式下，網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)的冗余切換速度取決于所使用的生成樹協(xié)議的收斂時(shí)間，在實(shí)時(shí)性要求很高的情況下會(huì)使其應(yīng)用受到一定的限制，同時(shí)，這種方式配置比較復(fù)雜，而且對(duì)交換機(jī)需要支持的協(xié)議也提出了要求。

本文針對(duì)一種平面獨(dú)立的內(nèi)部雙交換機(jī)冗余網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了一種實(shí)用的不依賴生成樹協(xié)議（如STP/RSTP）的快速智能冗余切換的方法，網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，與“冗余鏈路 + 生成樹協(xié)議（如STP/RSTP）”方法相比，冗余切換速度明顯提升，實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證了該方法的有效性。

2 一種平面獨(dú)立的雙交換機(jī)冗余網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1是某一核心通信設(shè)備內(nèi)部的雙交換機(jī)冗余網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如圖1所示，設(shè)備中有多個(gè)控制單元（Control Element，CE），每一個(gè)控制單位都相當(dāng)于一臺(tái)電腦，通過(guò)eth0和eth1分別連接到兩個(gè)交換機(jī)SWITCH-A和SWITCH-B，組成了兩個(gè)互為備份的網(wǎng)絡(luò)交換平面。由于SWITCH-A和SWITCH-B之間沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)連接，因此，這兩個(gè)交換機(jī)雖互為備份但彼此獨(dú)立，避免了對(duì)生產(chǎn)樹協(xié)議的要求。通過(guò)在各個(gè)CE上添加不同的網(wǎng)絡(luò)路由（route），可以實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)交換平面之間靈活切換。

圖1 某一核心通信設(shè)備內(nèi)部的雙交換機(jī)冗余網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由于是在設(shè)備內(nèi)部，每個(gè)交換機(jī)端口所對(duì)應(yīng)CE的內(nèi)部ip和內(nèi)部mac地址都可以預(yù)先定義，如表1所示。

表1 CEi的網(wǎng)絡(luò)端口、IP、Mac-address對(duì)照表（假設(shè)）CEi

默認(rèn)情況下，每個(gè)CE都通過(guò)SWITCH-A相互聯(lián)系，或通過(guò)SWITCH-A和CEn與外部網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系。默認(rèn)路由（route）如表2、表3所示。

表2 CEi（i≠n）的默認(rèn)路由表CEi（i≠n）

表3 CEn的默認(rèn)路由表CEn

2 網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)的冗余切換

當(dāng)某個(gè)CE的網(wǎng)絡(luò)接口（eth0或eth1），或者某個(gè)SWITCH（SWITCH-A或SWITCH-B）出現(xiàn)故障時(shí)，可以通過(guò)更新每個(gè)CE的內(nèi)部路由（route），切換到冗余一側(cè)的交換機(jī)上，使系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)保持暢通。

（1）交換機(jī)的某個(gè)端口故障

（假設(shè)）CEi的eth0對(duì)應(yīng)的交換機(jī)端口出現(xiàn)故障，如圖2所示：

圖2 CEi 的eth0出現(xiàn)故障示意圖

為保持網(wǎng)絡(luò)暢通，需要使CEi上針對(duì)eth0的路由（route）全部切換到另一側(cè)的交換機(jī)上；同時(shí)，還需要使其它CE通過(guò)eth0到CEi的路由（route）切換到另一側(cè)的交換機(jī)上。

對(duì)應(yīng)的路由（route）更新如下：

（a）CEi

（b）CEj（j≠i）

如果CEi的eth1對(duì)應(yīng)的交換機(jī)端口出現(xiàn)故障，每個(gè)CE的route也要做類似的切換更新。

（2）整個(gè)交換機(jī)故障

如果某個(gè)交換機(jī)出現(xiàn)故障，為保持網(wǎng)絡(luò)暢通，需要使每個(gè)CE針對(duì)該交換機(jī)的路由全部切換到另一側(cè)的交換機(jī)上。

假設(shè)SWITCH-A出現(xiàn)故障，為保持網(wǎng)絡(luò)暢通，需要使每個(gè)CE上針對(duì)eth0的路由（route）全部切換到eth1上。對(duì)應(yīng)的路由（route）更新如下：

如果SWITCH-B出現(xiàn)故障，每個(gè)CE的route也要做類似的切換更新。

3 網(wǎng)絡(luò)故障的自動(dòng)檢測(cè)

對(duì)于交換機(jī)端口或者整個(gè)交換機(jī)的故障，都表現(xiàn)為某些CE（一個(gè)或多個(gè)CE）的網(wǎng)絡(luò)端口出現(xiàn)故障，因此，都可以通過(guò)檢查各個(gè)CE的網(wǎng)絡(luò)端口狀態(tài)檢查出來(lái)。

3.1 網(wǎng)絡(luò)端口狀態(tài)的檢測(cè)方式

圖3 CEi的檢測(cè)點(diǎn)示意圖

如圖3所示，設(shè)備中的每一個(gè)CE（CEi）針對(duì)其對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)端口（eth0或eth1），都任意選擇其它3個(gè)CE（CEi1，CEi2，CEi3）作為檢測(cè)點(diǎn)。在針對(duì)網(wǎng)絡(luò)端口的每一個(gè)檢測(cè)周期中，CEi依次向每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)直接發(fā)送以太網(wǎng)mac包（check包）；收到check包的CE將向發(fā)送方回復(fù)確認(rèn)ack包。

3.2 檢測(cè)步驟與決斷策略

如圖4所示：

① CEi向第一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)CEi1發(fā)check包；

② 等待CEi1的ack包，如果收到，說(shuō)明端口正常，結(jié)束本次檢測(cè)；

③ 等待超時(shí)，CEi向第二個(gè)檢測(cè)點(diǎn)CEi2發(fā)check包；

④ 等待CEi2的ack包，如果收到，說(shuō)明端口正常，結(jié)束本次檢測(cè)；

⑤ 等待超時(shí)，CEi向第二個(gè)檢測(cè)點(diǎn)CEi3發(fā)check包；

⑥ 等待CEi3的ack包，如果收到，說(shuō)明端口正常，結(jié)束本次檢測(cè)；

⑦ 等待超時(shí)，CEi向該端口（eth0或eth1）廣播一個(gè)check包，其它CE收到之后都會(huì)向CEi發(fā)ack包；

⑧ 等待可能的ack包，如果收到，說(shuō)明端口正常，用新收到的ip/mac地址更新檢測(cè)點(diǎn)（CEi1，CEi2，CEi3），結(jié)束本次檢測(cè)；

⑨ 等待超時(shí)，CEi的該端口上不能收到任何ack包，則檢查另一側(cè)端口的狀態(tài)：如果另一側(cè)端口異常，說(shuō)明CEi在兩側(cè)都不能收到任何ack包，判斷CEi處于孤立運(yùn)行狀態(tài)，因此不需要做route更新；如果另一側(cè)端口正常，判斷本側(cè)端口故障，觸發(fā)每一個(gè)CE上的route更新。

圖4 網(wǎng)絡(luò)端口檢測(cè)步驟示意圖

3.3 檢測(cè)周期與響應(yīng)時(shí)間

圖5 網(wǎng)絡(luò)端口的檢測(cè)周期與檢測(cè)步驟示意圖（示例）

采用圖5所示的檢測(cè)步驟與檢測(cè)周期（示例），網(wǎng)絡(luò)端口狀態(tài)的最長(zhǎng)檢測(cè)周期為 T = 4×t1+t2。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)端口故障時(shí)，最長(zhǎng)在時(shí)間T內(nèi)可以檢出網(wǎng)絡(luò)故障。

選擇合適的t1和t2，能使系統(tǒng)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)出交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)故障，并做出相應(yīng)的保護(hù)性冗余切換。

當(dāng)t1= 20ms，t2= 100ms時(shí)，T = 4×t1+t2= 180ms；

當(dāng)t1= 10ms，t2= 50ms時(shí)，T = 4×t1+t2= 90ms。

3.4 檢測(cè)行為對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響

在每一個(gè)檢測(cè)周期中，

當(dāng)所有網(wǎng)絡(luò)端口正常時(shí)，每一個(gè)CE會(huì)收發(fā)2個(gè)mac包（1個(gè)check包，1個(gè)ack包），一共是 2n個(gè)mac包；

當(dāng)某個(gè)網(wǎng)絡(luò)端口異常時(shí)，該端口對(duì)應(yīng)的CE最多收發(fā)不超過(guò)n個(gè)包（4個(gè)check包，最多n-4個(gè)ack包），其它CE每一個(gè)最多收發(fā)不超過(guò)3個(gè)包（2個(gè)check包，1個(gè)ack包），一共最大不超過(guò) 4n 個(gè)包；

當(dāng)某個(gè)交換機(jī)故障時(shí)，每一個(gè)CE會(huì)收發(fā)4個(gè)包（4個(gè)check包，0個(gè)ack包），由于該交換機(jī)已經(jīng)不能轉(zhuǎn)發(fā)包，因此沒(méi)有真正增加網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷。

當(dāng) 時(shí)，由網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)引入的mac包的數(shù)量是非常小的。

4 應(yīng)用

該策略針對(duì)設(shè)備內(nèi)部的平面獨(dú)立的雙交換機(jī)冗余網(wǎng)絡(luò)，可以檢測(cè)每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)端口的狀態(tài)，在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障的時(shí)候能迅速檢測(cè)出來(lái)并自動(dòng)作冗余切換，而且對(duì)交換機(jī)所支持的協(xié)議沒(méi)有特殊的要求，對(duì)設(shè)備內(nèi)部每個(gè)CE所支持的協(xié)議也沒(méi)有特殊的要求，因而適應(yīng)性較強(qiáng)。通過(guò)選擇合適的檢測(cè)周期，可以使冗余切換時(shí)間限制在100ms~200ms以下，甚至更短。與“冗余鏈路 + 生成樹協(xié)議（如STP/RSTP）”的冗余方式相比，該策略的冗余切換速度更快，而且不需要對(duì)交換機(jī)做額外的配置。

在某一款電信核心設(shè)備中采用了該策略后，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)的雙重驗(yàn)證，當(dāng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，實(shí)際冗余切換時(shí)間小于100ms，有效保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

本文針對(duì)“冗余鏈路 + 生成樹協(xié)議”的網(wǎng)絡(luò)冗余方式中冗余切換速度依賴所使用的生成樹協(xié)議的收斂時(shí)間、造成實(shí)時(shí)性不高，而且配置復(fù)雜的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了不依賴生成樹協(xié)議（如STP/RSTP）的快速智能冗余切換的方法，提升了冗余切換速度，同時(shí)簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)配置。

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