一種新型集群路由器智能管理技術(shù)的研究﹡

吳 捷， 施彥媛

(中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041)

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)寬帶業(yè)務的高速發(fā)展和業(yè)界ALL-IP化的大勢所趨，IP 網(wǎng)實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)、語音和視頻等多業(yè)務的統(tǒng)一承載。綜合業(yè)務的多種特性以及日益激增的網(wǎng)絡流量又從交換容量、線路帶寬、靈活擴展等方面對路由交換設(shè)備提出了更高的要求， 尤其是核心路由器必須具備良好的擴展性，才能適應當前互聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展的需求。

為更好的解決快速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務給傳統(tǒng)路由交換設(shè)備帶來的挑戰(zhàn)，業(yè)界越來越多的將目光聚焦在集群路由器技術(shù)上。集群路由器技術(shù)是將多臺路由器互聯(lián)起來，共同組成一個多平面的路由轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)，形成一套邏輯上的單一路由器，支持集中化管理并使得集群路由器內(nèi)部各路由器能很好的協(xié)同工作和并行轉(zhuǎn)發(fā)，從而實現(xiàn)集群路由器轉(zhuǎn)發(fā)容量的平滑升級，突破單機箱路由設(shè)備在交換容量、功耗、散熱等方面的限制，以實現(xiàn)容量更大、組織靈活的路由交換系統(tǒng)。

文中重點研究了集群路由器體系架構(gòu)中的管理技術(shù)，提出一種新型的邏輯精簡、可擴展的技術(shù)方案，實現(xiàn)對集群路由器框架中多節(jié)點的抽象、虛擬化及統(tǒng)一管理，為上層網(wǎng)絡應用程序提供扁平化的集群路由器網(wǎng)絡接口視圖。最后通過 Linux開源軟件搭建實驗平臺驗證了技術(shù)方案的可行性。

1 集群路由器管理概述

假設(shè)一個集群路由器內(nèi)有6個內(nèi)部路由器，其中兩個分別為主、備控制路由器，由主控制路由器負責全部網(wǎng)絡協(xié)議報文的收發(fā)處理及外部接口的報文轉(zhuǎn)發(fā)，備控制路由器與其他4個邊緣路由器僅負責網(wǎng)絡協(xié)議及業(yè)務報文的轉(zhuǎn)發(fā)。

集群路由器智能管理架構(gòu)如圖1所示。

圖1 集群路由器智能管理架構(gòu)示意

首先集群路由器系統(tǒng)根據(jù)策略配置指定出初始主控制路由器與備控制路由器，主控制路由器負責完成所有內(nèi)部路由器的統(tǒng)一編號及所有網(wǎng)絡協(xié)議的本地處理等。

在收到主控制路由器上線通知后，邊緣路由器將封裝報文將其接口集等信息發(fā)送給主控制路由器，完成將分布式的集群路由器結(jié)構(gòu)抽象為集中式單一路由器的工作。主控制路由器基于統(tǒng)一編址的邏輯接口等信息將進行網(wǎng)絡協(xié)議收發(fā)處理及轉(zhuǎn)發(fā)表項下發(fā)，最終實現(xiàn)集群路由器的統(tǒng)一管理及組網(wǎng)互通。

為增強集群路由器系統(tǒng)的抗毀性，主控制路由器支持在管理策略配置下自動在備控制路由器當機時，完成新的備控制路由器的指派以及全局信息同步。同時結(jié)合 GR（Graceful Restart）、NSF（Non-stop Forwarding）等技術(shù)共同完成集群路由系統(tǒng)的容災抗毀設(shè)計。

2 集群路由器管理的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 集群路由系統(tǒng)上電及全局信息收集

集群路由器系統(tǒng)上電后，各內(nèi)部路由器均將啟動上電通知定時器定時發(fā)送攜帶本設(shè)備信息的集群路由器上線通告報文，目的MAC設(shè)為廣播地址。其中由管理策略配置指定的初始的主、備控制路由器發(fā)出的上電通知報文中將攜帶指示標志以明確標識自己的身份。

初始主控制路由器在收到其他內(nèi)部路由器的上電通告報文后，將發(fā)送上電通告應答報文，并存儲本次收到通告報文源內(nèi)部路由器的 MAC地址等設(shè)備信息，同時啟動保活檢測定時器等待接收此設(shè)備的定時?；钚?。若超過一定時間收不到此設(shè)備的?；钚妫瑒t控制路由器認為對應內(nèi)部路由器已下線，將刪除本地對應此內(nèi)部路由器信息并同步信息給本集群路由系統(tǒng)內(nèi)所有其他路由器，及時為集群路由器系統(tǒng)刪除相應全局故障接口。

初始主控制路由器在收到初始備控制路由器的上電通告后，將自動發(fā)起與備控制路由器之間的數(shù)據(jù)同步TCP連接建立，后續(xù)支持通過此TCP連接完成相應配置、接口集信息的同步，同時對收到的?；钚孢M行應答消息發(fā)送。

非控制路由器的其他內(nèi)部路由器在收到主控制路由器的通告應答報文后，將及時停止發(fā)送上電通告報文，同時啟動?；钐綔y定時器，定時向、備主控制路由器發(fā)送?；钚嫘畔?，等待接收控制路由器的?；钚鎽稹Ｈ舫^一定時間路由器同時未收到主、備控制路由器的?；钐綔y應答，則認為當前集群系統(tǒng)的控制路由器故障，將重新啟動上電通知定時器，重新進行上電通知消息的發(fā)送。

2.2 網(wǎng)絡接口全局映射與統(tǒng)一編碼

控制路由器在獲知新的內(nèi)部路由器上線信息后，將為此路由器分配獨立的路由器編號，通過內(nèi)部交換的MAC地址將編號信息發(fā)送到此路由器。

路由器收到編號信息后，首先完成路由器內(nèi)部接口板端口數(shù)目與其尋址關(guān)鍵字（常見的以太網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)即是以MAC為最終的尋址關(guān)鍵字）的創(chuàng)建，得到路由器各外部接口對應的內(nèi)部尋址MAC。

各邊緣路由器將路由器編號、接口板號、端口號及尋址MAC綁定等信息主報給控制路由器，控制路由器的集群管理解析處理上報的邊緣路由器接口信息，以扁平化的方式統(tǒng)一編碼創(chuàng)建獨立的邏輯接口[1]。

集群路由器全局映射示意具體如圖2所示。

圖2 集群路由器全局映射示意

控制路由器在建立全局映射邏輯接口時，為每個邏輯接口分配互不相同的接口名稱，同時建立邏輯接口與路由器編號、接口板號、端口號及尋址MAC綁定的映射關(guān)系[2]，建立的全局映射統(tǒng)一編址邏輯表項結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在網(wǎng)絡接口的全局虛擬映射與邏輯接口建立完成后，控制路由器通過與集群路由系統(tǒng)中核心交換設(shè)備的控制接口，將尋址MAC與邊緣路由器的二層綁定關(guān)系下發(fā)到交換設(shè)備建立其二層轉(zhuǎn)發(fā)表項。

圖3 集群路由器邏輯端口物理映射關(guān)系示意

全局虛擬映射為控制路由器的各類路由協(xié)議屏蔽分布式的集群路由器內(nèi)部互聯(lián)關(guān)系，呈現(xiàn)在應用面前的是一個模擬單路由器和扁平化的邏輯接口集，路由協(xié)議等上層應用可按常規(guī)路由設(shè)備的模式完成路由計算等工作。

2.3 控制路由器雙機熱備

在集群路由器管理技術(shù)中，為避免單控制路由器故障后導致的集群路由器網(wǎng)絡功能不可用及自恢復時間過長問題，可通過支持控制路由器的主備冗余機制來予以解決[3]。

在 2.1節(jié)所說初始主、備控制路由器上電完成后，主、備控制路由器通過TCP連接完成全局信息的同步，并通過保活探測實時獲知彼此的工作狀態(tài)。

在主控制路由器通過保活檢測發(fā)現(xiàn)備控制路由器當機時，可通過管理策略配置或隨機選出新的備控制路由器，隨后同樣進行新的主備控制路由器間TCP連接的建立與全局信息等同步。

在主控制路由器出現(xiàn)一般故障或異常情況不宜繼續(xù)工作時可通過GR或NSF等技術(shù)確保網(wǎng)絡不中斷情況下觸發(fā)主備控制路由器轉(zhuǎn)換，并由此控制路由器選出新的備控制路由器，同時完成相應的 TCP連接建立與數(shù)據(jù)同步。

最后即使在主控制路由器突發(fā)嚴重故障情況下，不能做到支持 GR等技術(shù)的應用，從而無法保障網(wǎng)絡不中斷級別的主備切換，但實時存在的備控制路由器也能在最快時間內(nèi)完成網(wǎng)絡路由的重新收斂，將網(wǎng)絡損壞影響程度降到最低。

2.4 集群路由器轉(zhuǎn)發(fā)表項管理

基于全局虛擬映射和統(tǒng)一編碼，控制路由器上運行的的各類路由協(xié)議完成協(xié)議交換后，將更新路由表項下發(fā)給集群路由器管理，集群路由器管理將邏輯與物理尋址映射關(guān)系攜帶在新的路由表項消息中發(fā)送給各邊緣路由器，最終完成集群路由器系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)表整機同步，實現(xiàn)集群路由器的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能。

3 仿真驗證

根據(jù)上述方案設(shè)計，搭建了驗證平臺以測試技術(shù)方案的可行性。

通過在曙光服務器上安裝VmVare創(chuàng)建了7臺Linux虛擬機，將2臺虛擬機作為測試終端，1臺虛擬機上安裝雙網(wǎng)卡并運行開源 Zebra路由軟件模擬傳統(tǒng)路由器，4臺虛擬機上創(chuàng)建了雙網(wǎng)卡作為集群路由器驗證平臺并安裝了集群路由器管理軟件與開源Zebra路由軟件，完成集群路由器控制節(jié)點指派、全局虛擬編址等文中所述技術(shù)，最后由 Zebra提供的OSPF路由協(xié)議完成4臺節(jié)點組建的集群路由器與虛擬標準路由器的路由交換，最終實現(xiàn)了邊緣兩臺模擬PC終端的互通。

測試拓撲圖如圖4所示。

圖4 集群路由器仿真拓撲示意

4 結(jié)語

文中研究了一種集群路由器管理框架軟件的設(shè)計與實現(xiàn)，技術(shù)體制本身具備一定的通用性和實用性，可以達到對現(xiàn)有路由設(shè)備控制軟件基本無感的情況下，僅作少量修改和軟件模塊的加入即可實現(xiàn)傳統(tǒng)路由設(shè)備向集群路由器系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，通過仿真網(wǎng)絡環(huán)境的驗證證明了方案的可行性[4-6]。

文中下一步將針對集群路由器管理架構(gòu)的可靠性、可管性及集群路由器系統(tǒng)內(nèi)部的負載均衡能力等做繼續(xù)的深入研究，以期早日完成技術(shù)實用化工作。

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