計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠性技術(shù)的工程應(yīng)用

馬代軍

【摘 要】 隨著信息技術(shù)在經(jīng)濟(jì)社會各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，大量信息平臺建成并投入使用，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)作為信息平臺的支撐基礎(chǔ)，其可靠性已關(guān)系到了使用者的工作效率和生活舒適程度。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的可靠性設(shè)計(jì)是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)規(guī)劃的重點(diǎn)之一，本文通過對實(shí)際建成的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工程分析總結(jié)，從工程應(yīng)用的角度來探討計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠性的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)方法。

【關(guān)鍵詞】 信息 通信 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 可靠性 恢復(fù) 工程應(yīng)用

1 概述

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)完成信息交換（數(shù)據(jù)通信）的能力，這里就涉及到了連通性（節(jié)點(diǎn)之間要保持通信）和有效性（節(jié)點(diǎn)間的通信要保持一定的質(zhì)量，如延遲、抖動、速率等指標(biāo)）兩方面。由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性是在破壞或故障的情況下保持通信，所以還涉及到了抗毀性和生存性，確保在部分節(jié)點(diǎn)、線路失效后，網(wǎng)絡(luò)依舊保持信息通信能力。

2 影響計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠性的因素

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)不可靠的表現(xiàn)從輕到重一般是網(wǎng)絡(luò)變慢（速率降低、響應(yīng)超時(shí)）、數(shù)據(jù)出錯（或數(shù)據(jù)丟失）、服務(wù)無響應(yīng)（或響應(yīng)錯誤）、網(wǎng)絡(luò)阻塞（慢到無法使用）、網(wǎng)絡(luò)局部中斷、網(wǎng)絡(luò)全面崩潰等。網(wǎng)絡(luò)可靠性指在部分網(wǎng)絡(luò)組件（節(jié)點(diǎn)或線路）發(fā)生失效的情況下，網(wǎng)絡(luò)保持正常通信的能力。

網(wǎng)絡(luò)組件失效的情況一般有故障（設(shè)備或線路損壞）、錯誤（軟件或配置出錯）、干擾（電磁、溫度等環(huán)境干擾）或者破壞（自然災(zāi)難、人為事故）等。以下是影響網(wǎng)絡(luò)可靠性的具體因素：（1）硬件設(shè)施：設(shè)備和線路自身的可靠性、維修性；（2）運(yùn)行環(huán)境：設(shè)備工作環(huán)境的電源、溫濕度、潔凈度、電磁干擾等；（3）網(wǎng)絡(luò)管理：網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和管理及相關(guān)規(guī)章制度；（4）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹哟我?guī)劃和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、算法等。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障監(jiān)測、隔離和恢復(fù)的關(guān)鍵，直接關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)在組件失效情況下的自我恢復(fù)能力，是決定計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠性的主要因素。

3 提高計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠性的方法

要保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性，在保證網(wǎng)絡(luò)組件自身可靠性的前提下，主要是采用容錯技術(shù)和冗余設(shè)計(jì)，使用檢測（發(fā)現(xiàn)故障）和恢復(fù)（倒換恢復(fù)）的手段，使網(wǎng)絡(luò)在通信不受影響的前提下自動恢復(fù)。保障計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠性的方法可按以下層次分類。

（1）提升網(wǎng)絡(luò)組件可靠性：選用高可靠性的網(wǎng)絡(luò)、主機(jī)等設(shè)備和軟件，并對設(shè)備的易損和重要部件熱備（如電源冗余、管理引擎冗余、磁盤陣列、網(wǎng)卡冗余等）；選用合適的通信線纜并加以適當(dāng)保護(hù)；采用不間斷電源、機(jī)房空調(diào)、環(huán)境監(jiān)控等，確保設(shè)備工作環(huán)境符合要求；采用防火墻、入侵檢測、病毒過濾、行為管理、流量控制等安全控制措施。保證設(shè)備設(shè)施自身的可靠性。

（2）提升網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可維修性：對關(guān)鍵和重要設(shè)備（如中心和匯聚交換機(jī)、骨干路由器、重要服務(wù)器等）進(jìn)行整機(jī)熱備（如雙機(jī)雙工、雙機(jī)熱備、負(fù)載均衡、服務(wù)器集群等）；對主干和重要線路進(jìn)行雙線路備份；對數(shù)據(jù)做離線備份和遠(yuǎn)程備份；對機(jī)房供電線路、UPS、機(jī)房空調(diào)等冗余備份。即使發(fā)生設(shè)備、線路故障，也有冗余系統(tǒng)可供切換，保證網(wǎng)絡(luò)主干的可維修性。

（3）提升網(wǎng)絡(luò)自動恢復(fù)能力：結(jié)合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、層次結(jié)構(gòu)、設(shè)備冗余等手段，采用網(wǎng)絡(luò)故障檢測（UDLD/DLDP、CFD、BFD等）和網(wǎng)絡(luò)故障倒換（MSTP、HSRP/VRRP等）等技術(shù)，在發(fā)生故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)快速計(jì)算并收斂、重構(gòu)，自動隔離故障和恢復(fù)通信。保證網(wǎng)絡(luò)可靠性的有效實(shí)現(xiàn)。

4 實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠性需求的技術(shù)措施

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工程可靠性系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工過程中，除了采用重要設(shè)備易損部件冗余、機(jī)房環(huán)境監(jiān)控和管理、網(wǎng)絡(luò)安全控制管理等手段外，更關(guān)鍵的是在網(wǎng)絡(luò)主干設(shè)備和線路冗余的基礎(chǔ)上，采用合適的故障檢測和倒換恢復(fù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)故障快速恢復(fù)和流量負(fù)載均衡，提高網(wǎng)絡(luò)通信效率，進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)可靠性。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)主干冗余一般包含中心交換機(jī)雙機(jī)熱備、匯聚交換機(jī)雙機(jī)熱備、網(wǎng)絡(luò)骨干線路冗余、關(guān)鍵線路（如互聯(lián)網(wǎng)出口）冗余等，匯聚層到核心層之間通過冗余主干鏈路做口字或交叉連接，接入層到匯聚層做雙鏈路連接。網(wǎng)絡(luò)故障檢測通過鏈路檢測（數(shù)據(jù)鏈路層使用UDLD/DLDP、CFD等技術(shù)）和網(wǎng)絡(luò)檢測（網(wǎng)絡(luò)層使用SLA/NQA、BFD等技術(shù)）實(shí)時(shí)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)路徑的連接狀態(tài)，確定故障，為故障隔離和倒換恢復(fù)提供服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)故障倒換恢復(fù)則通過冗余設(shè)備和冗余連接，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)快速切換，以保證通信連續(xù)和服務(wù)可用。

網(wǎng)絡(luò)主干冗余的倒換恢復(fù)通常采用以下技術(shù)措施：

（1）生成樹協(xié)議：根據(jù)鏈路狀態(tài)和優(yōu)先級設(shè)置來阻塞或打開冗余鏈路，實(shí)現(xiàn)鏈路備份。結(jié)合VLAN規(guī)劃，采用MSTP，多個(gè)生成樹實(shí)例以不同VLAN走不同路徑的方式可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層的負(fù)載均衡傳輸。生成樹協(xié)議適合于各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，但收斂速度較慢，只能以秒級（或更大）的速度遷移倒換，且網(wǎng)絡(luò)直徑不宜過長、冗余連接不宜過于復(fù)雜，否則故障時(shí)網(wǎng)絡(luò)收斂和倒換恢復(fù)時(shí)間過長，還易引起網(wǎng)絡(luò)頻繁震蕩，反而降低網(wǎng)絡(luò)性能。

（2）熱備份路由協(xié)議：根據(jù)路由器狀態(tài)和優(yōu)先級設(shè)置來切換虛擬路由器中活動路由器，實(shí)現(xiàn)路由備份。結(jié)合VLAN規(guī)劃，采用HSRP或VRRP，多個(gè)虛擬路由器（成員路由器優(yōu)先級不同）以不同VLAN訪問不同網(wǎng)關(guān)的方式來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層的負(fù)載均衡傳輸。

（3）路由策略：對不同的訪問源或訪問目標(biāo)使用不同的匹配規(guī)則來應(yīng)用路由重定向等動作，實(shí)現(xiàn)路由備份。結(jié)合VLAN規(guī)劃和IP分配，以不同用戶使用不同網(wǎng)關(guān)的方式來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層的負(fù)載均衡傳輸。

（4）鏈路聚合：將多條物理鏈路合并成一條更高帶寬的邏輯鏈路，可實(shí)現(xiàn)鏈路備份和負(fù)載均衡傳輸。鏈路聚合在故障發(fā)生時(shí)，網(wǎng)絡(luò)通信基本上沒有中斷，且直接將單條鏈路擴(kuò)容數(shù)倍，性能效果最好。但只能用在兩臺設(shè)備直接相連的環(huán)境中。

（5）備份鏈路：單臺設(shè)備采用兩條鏈路連到兩臺上游設(shè)備，故障發(fā)生時(shí)快速切換到備用鏈路。結(jié)合VLAN規(guī)劃，采用SmartLink或FlexLink，以不同VLAN使用不同鏈路的方式來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層的負(fù)載均衡傳輸。故障時(shí)收斂速度可達(dá)亞秒級，但只能用于雙上行部分，不能適用于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，且與生成樹協(xié)議互斥。

5 結(jié)語

隨著網(wǎng)絡(luò)環(huán)境愈加復(fù)雜，用戶需求日益增加，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠性面臨的條件和問題也越來越多。對于每一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工程可靠性系統(tǒng)的建設(shè)，都應(yīng)當(dāng)根據(jù)用戶的實(shí)際環(huán)境和具體需求，結(jié)合投資預(yù)算，從工程項(xiàng)目全生命周期出發(fā)，全面考慮設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行維護(hù)等實(shí)際情況，選擇最合理的技術(shù)手段，構(gòu)建最適合于該用戶的網(wǎng)絡(luò)可靠性體系。endprint