基于多核處理器BFD協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄧嘉，吉萌，雷升平

（1.武漢郵電科學(xué)研究院湖北武漢430074；2.武漢烽火網(wǎng)絡(luò)有限責(zé)任公司湖北武漢430074）

基于多核處理器BFD協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄧嘉1，2，吉萌2，雷升平2

（1.武漢郵電科學(xué)研究院湖北武漢430074；2.武漢烽火網(wǎng)絡(luò)有限責(zé)任公司湖北武漢430074）

BFD是一種雙向轉(zhuǎn)發(fā)快速檢測(cè)機(jī)制，為解決協(xié)議軟件BFD在鏈路檢測(cè)中響應(yīng)慢的問(wèn)題，本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種在多核處理器平臺(tái)下基于底層驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的BFD機(jī)制。該機(jī)制下所有的收發(fā)包處理都由底層驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，上層只負(fù)責(zé)向底層下發(fā)配置命令和接受底層的通告信息；會(huì)話(huà)表中通過(guò)哈希算法查找相應(yīng)的會(huì)話(huà)并對(duì)相關(guān)字段進(jìn)行匹配。實(shí)驗(yàn)證明，該機(jī)制的鏈路檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間可達(dá)20毫秒左右，滿(mǎn)足高性能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可靠性的要求。

BFD；多核處理器；鏈路狀態(tài)；哈希表

隨著IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)鏈路的可靠性越來(lái)越受到人們的重視，其中設(shè)備之間的鏈路狀態(tài)檢測(cè)成為了關(guān)注的焦點(diǎn)。相鄰系統(tǒng)之間通信故障快速檢測(cè)功能最早應(yīng)用于傳輸網(wǎng)的SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步數(shù)字體系）設(shè)備中，而作為聯(lián)通網(wǎng)的路由器、交換機(jī)設(shè)備并沒(méi)有類(lèi)似的檢測(cè)機(jī)制。BFD［1］（Bidirectional Forwarding Detection，雙向轉(zhuǎn)發(fā)檢測(cè)）協(xié)議的出現(xiàn)，填補(bǔ)了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間故障檢測(cè)協(xié)議的空白，各大設(shè)備廠(chǎng)商也紛紛致力于BFD的研究和實(shí)現(xiàn)。基于軟件層的BFD，當(dāng)對(duì)端發(fā)來(lái)BFD報(bào)文后，由底層送到軟件層，然后進(jìn)協(xié)議棧解析和匹配，一旦檢測(cè)到鏈路故障，需要通告底層切換備用路由，整個(gè)過(guò)程反應(yīng)比較遲鈍，無(wú)法滿(mǎn)足高端路由器鏈路快速倒換的要求。因此，實(shí)現(xiàn)一種能夠?qū)︽溌饭收峡焖贆z測(cè)并響應(yīng)的BFD機(jī)制顯得尤為重要。本文提出的基于驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的BFD，能夠在30毫秒內(nèi)檢測(cè)出鏈路故障并做出響應(yīng)，為快速路由倒換并恢復(fù)鏈路爭(zhēng)取了時(shí)間，提升了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)鏈路的可靠性。

1　BFD表項(xiàng)設(shè)計(jì)

BFD的表項(xiàng)設(shè)計(jì)是通過(guò)哈希表來(lái)實(shí)現(xiàn)的，將源IP和目的IP作為參數(shù)輸入SDK中所提供的一個(gè)函數(shù)，生成一個(gè)數(shù)字X，因?yàn)楸竟１淼拇笮?K，所以哈希值的大小必須在0到1023之間，所以再將X除以1024取余，得出一個(gè)大小在0到1023之間的哈希值。如果兩對(duì)不同的源目的IP但是算出來(lái)的哈希值相同的話(huà)則會(huì)產(chǎn)生哈希沖突，解決哈希沖突這一問(wèn)題，在這里采用鏈地址的方式，就是通過(guò)next指針將沖突的表項(xiàng)鏈接在已存在表項(xiàng)的后面，從BFD的列表［2］中抽象出3個(gè)部分：標(biāo)志位部分（flag），條件匹配部分（match），協(xié)商部分（consult）

Flag=｛flag1，flag2，..，flagn｝，flagn屬于集合Flag，flagn則是表項(xiàng)中第n個(gè)標(biāo)志位；Match=｛match1，match2，...，matchn｝，matchn屬于集合Match，matchn則是表項(xiàng)中第n個(gè)匹配字段位；Consult=｛consult1，consult2，..，consultn｝consultn屬于集合Consult，consultn則是第n個(gè)協(xié)商字段。如圖1所示。

2　BFD發(fā)包模塊設(shè)計(jì)

圖2是整個(gè)發(fā)包模塊的流程圖，發(fā)包模塊的定時(shí)器是采用輪訓(xùn)的方式，core8每隔10 ms，掃描整張hash表，也就是說(shuō)掃描的范圍是從0一直到1023，在表項(xiàng)中有一項(xiàng)為sessionid，如果session-id的值為0則表示該表項(xiàng)沒(méi)有會(huì)話(huà)，則跳過(guò)，如果不為空，首先查看是否存在沖突域，如果存在的話(huà)，說(shuō)明在一個(gè)hash表項(xiàng)中存在多個(gè)會(huì)話(huà)session［3-4］，需要對(duì)其遍歷，并對(duì)沖突域中的每一個(gè)會(huì)話(huà)都要對(duì)其進(jìn)行處理，對(duì)每一個(gè)會(huì)話(huà)的操作與表項(xiàng)不存在沖突域是對(duì)會(huì)話(huà)的操作相同。當(dāng)對(duì)某一個(gè)會(huì)話(huà)進(jìn)行處理時(shí)，首先要判斷其會(huì)話(huà)模式是主動(dòng)模式，被動(dòng)模式，或者是回聲模式。主動(dòng)模式和被動(dòng)模式的主要區(qū)別是當(dāng)會(huì)話(huà)狀態(tài)是down的時(shí)候，主動(dòng)模式會(huì)不斷的送down包，而被動(dòng)模式則什么也不做。當(dāng)會(huì)話(huà)處于init和up狀態(tài)的時(shí)候，主動(dòng)模式和被動(dòng)模式的實(shí)現(xiàn)過(guò)程相同。Core8每掃一次hash表的時(shí)候，時(shí)間計(jì)數(shù)器的數(shù)值會(huì)被累加。所以當(dāng)時(shí)間計(jì)數(shù)器的值余1 000 ms為0的時(shí)候，如果會(huì)話(huà)的狀態(tài)為down或者init時(shí)，則發(fā)送相應(yīng)狀態(tài)的數(shù)據(jù)包出去。同當(dāng)會(huì)話(huà)狀態(tài)為init時(shí)，除了發(fā)送init出去以外，還會(huì)依據(jù)flag位和detect_multi來(lái)判定是否超時(shí)。如果超時(shí)則將當(dāng)前會(huì)話(huà)設(shè)置為down，同時(shí)上報(bào)主控。

如果會(huì)話(huà)的狀態(tài)是為up的話(huà)，發(fā)送up包并將flag位加1的條件是時(shí)間計(jì)數(shù)器的值余協(xié)商發(fā)包間隔為0的時(shí)候，當(dāng)時(shí)間計(jì)數(shù)器的值余協(xié)商收包間隔為0的時(shí)候，則判斷flag的值是否大于預(yù)先設(shè)定的detect_multi［5-6］發(fā)包重復(fù)次數(shù)。依據(jù)flag位和detect_multi來(lái)判定是否超時(shí)。如果超時(shí)則將當(dāng)前會(huì)話(huà)設(shè)置為down，同時(shí)上報(bào)主控

由于是在多核下實(shí)現(xiàn)發(fā)包，考慮到線(xiàn)程安全問(wèn)題，當(dāng)進(jìn)入發(fā)包模塊的時(shí)候，會(huì)給相應(yīng)表項(xiàng)資源上鎖。從而避免對(duì)同一表項(xiàng)，在發(fā)送數(shù)據(jù)包的同時(shí)修改數(shù)據(jù)包。

圖1　BFD表項(xiàng)結(jié)構(gòu)圖

圖2　發(fā)包模塊設(shè)計(jì)流程圖

圖3　收包模塊設(shè)計(jì)流程圖

3　BFD收包模塊設(shè)計(jì)

收包是非常關(guān)鍵的一部分，系統(tǒng)流程如圖3所示，首先，當(dāng)接受了一個(gè)數(shù)據(jù)包過(guò)來(lái)，要收包模塊要從主干道將它提取出來(lái)，這個(gè)數(shù)據(jù)包要符合兩個(gè)條件，第一個(gè)是其協(xié)議號(hào)要是17，說(shuō)明采用udp，第二個(gè)是其端口號(hào)為3704。提取出數(shù)據(jù)包以后，首先要判斷這個(gè)數(shù)據(jù)包是不是合法的，有兩個(gè)條件：第一是將數(shù)據(jù)包的源IP和目的IP提取出來(lái)，通過(guò)多核處理器上的SDK依據(jù)源目的IP算出hash值，到hash表中去查找對(duì)應(yīng)的session，如果查找到對(duì)應(yīng)的表項(xiàng)為空時(shí)，則表明這個(gè)數(shù)據(jù)包不是合法的，則丟棄。第二，如果找到了對(duì)應(yīng)的表項(xiàng)，則再去比對(duì)其中的字段，首先看有沒(méi)有認(rèn)證，如果有則進(jìn)行認(rèn)證。否則查看表項(xiàng)里面唯一的標(biāo)識(shí)符，如果標(biāo)識(shí)符不完全，則將會(huì)話(huà)雙發(fā)的標(biāo)識(shí)符補(bǔ)全，如果會(huì)話(huà)雙方的標(biāo)識(shí)符齊全，則判斷數(shù)據(jù)包和表項(xiàng)對(duì)應(yīng)的標(biāo)示符是否一致。如果不一致則說(shuō)明數(shù)據(jù)包是不合法的，可能是別人偽造的或者被改過(guò)了的，則丟掉。當(dāng)所有這些條件判斷過(guò)后，證明這個(gè)數(shù)據(jù)包已經(jīng)合法之后，再依據(jù)數(shù)據(jù)包中的狀態(tài)來(lái)修改表項(xiàng)中會(huì)話(huà)的狀態(tài)，如果數(shù)據(jù)包的狀態(tài)為UP，還需要進(jìn)一步判斷是否需要重新協(xié)商發(fā)包間隔和收包間隔。

收包的話(huà)就可以用core1到core7都可以，收發(fā)包是并行工作的，當(dāng)收包后，數(shù)據(jù)包在修改表項(xiàng)數(shù)據(jù)的時(shí)候該表項(xiàng)則會(huì)上鎖，這時(shí)如果發(fā)包的核在這是后來(lái)讀取的話(huà)，則會(huì)等待，等鎖釋放以后再讀取表項(xiàng)，將包發(fā)出去，所以一定要設(shè)一個(gè)LOCK，不然一個(gè)再改一個(gè)在發(fā)，則會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，因?yàn)樾薷谋眄?xiàng)相對(duì)于掃描表項(xiàng)的時(shí)間是非常短的，所以當(dāng)遇到鎖的時(shí)候核core8等待。

4　實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)是在高端路由器上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)儀表為Spirent FestCenter，用儀表模擬一臺(tái)路由器設(shè)備，建立BFD會(huì)話(huà)。高端路由器中的核卡則采用多核處理器，單核主頻為1.2 GHz。

圖4　實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D

按圖4連接設(shè)備，配置IP地址并保證設(shè)備之間能ping通，路由器設(shè)備的ip配置為5.5.5.1/24，儀表的IP設(shè)置為5.5.5.5/24.在設(shè)備上開(kāi)啟BFD功能。在連接鏈路接口上使能BFD，設(shè)置為主動(dòng)模式，且兩端都為主動(dòng)方。BFD的主要操作模式稱(chēng)為主動(dòng)模式（異步模式）。在這種模式下，系統(tǒng)之間相互周期性地發(fā)送BFD控制報(bào)文，如果某個(gè)系統(tǒng)連續(xù)幾個(gè)報(bào)文都沒(méi)有接收到，就認(rèn)為此BFD會(huì)話(huà)的狀態(tài)是Down。當(dāng)兩端都為主動(dòng)角色時(shí)，兩端的系統(tǒng)都要向?qū)Χ税l(fā)送Your Discriminator為0的BFD控制報(bào)文，直到兩端學(xué)到對(duì)端的Discriminator，然后開(kāi)始建立會(huì)話(huà)查看BFD會(huì)話(huà)。通過(guò)主控將其配置到將最小發(fā)送間隔和接受間隔都設(shè)置為最小的10 ms，檢測(cè)次數(shù)設(shè)為2次，因?yàn)榘l(fā)送數(shù)據(jù)包的core8的循環(huán)間隔為10 ms，因此該值為發(fā)包的極限值。

5　主控配置建立會(huì)話(huà)

當(dāng)bfd配置好之后，通過(guò)儀表連接設(shè)備，建立會(huì)話(huà)session如圖5所示，會(huì)話(huà)的狀態(tài)有down轉(zhuǎn)變?yōu)閡p狀態(tài)，說(shuō)明會(huì)話(huà)建立成功。

圖5　會(huì)話(huà)狀態(tài)圖

6　最后結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)途中數(shù)據(jù)的分析得出10組以5.5.5.1位源IP的數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)間進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。依據(jù)圖6統(tǒng)計(jì)結(jié)果所得數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)已秒為單位），分析得出單次發(fā)包所用平均時(shí)間10.485 845 ms。發(fā)包間隔大于10 ms的部分是多核在構(gòu)造數(shù)據(jù)包上所用時(shí)間。由于檢測(cè)次數(shù)至少為兩次，所以該機(jī)制的鏈路檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間可達(dá)30 ms以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足高端路由器可靠性的要求。

圖6　BFD響應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果

7　結(jié)束語(yǔ)

基于驅(qū)動(dòng)層的BFD，對(duì)整個(gè)BFD報(bào)文的收發(fā)處理都在線(xiàn)卡上完成，當(dāng)會(huì)話(huà)狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，只需要向主控通告相應(yīng)的會(huì)話(huà)狀態(tài)信息。這種方式的BFD對(duì)鏈路狀態(tài)的感知比較快，當(dāng)檢測(cè)到鏈路故障后，可以在第一時(shí)間通告切換備用路由。這種機(jī)制避免了鏈路出現(xiàn)故障時(shí)主控與線(xiàn)卡之間多次通告的耗時(shí)過(guò)程，為快速路由倒換節(jié)約了時(shí)間。運(yùn)用這種BFD機(jī)制與FRR聯(lián)動(dòng)，鏈路故障恢復(fù)時(shí)間可實(shí)現(xiàn)50 ms以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足骨干網(wǎng)中高端路由器可靠性的要求。但是，隨著各種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)也愈發(fā)復(fù)雜，人們對(duì)鏈路的檢測(cè)的要求已不僅僅滿(mǎn)足于能夠發(fā)現(xiàn)故障并快速恢復(fù)鏈路，而且還要求能夠檢測(cè)具體哪條鏈路出現(xiàn)故障，造成故障的原因是什么。因此，如何利用現(xiàn)有的BFD協(xié)議精確檢測(cè)鏈路狀態(tài)，是今后需要進(jìn)一步研究的方向之一。

［1］王晨.BFD技術(shù)在H-VPLS網(wǎng)絡(luò)上的實(shí)現(xiàn)［D］.南京大學(xué)，2012.

［2］蔡素梅，劉蓮花，陳強(qiáng).BFD的研究及在3G網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)［J］.廣東通信技術(shù)，2011（3）:25-29.

［3］韓韜略.分布式BFD系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.南京大學(xué)，2013.

［4］陳瑞森.基于BFD的IP快速重路由的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.杭州電子科技大學(xué)，2012.

［5］何燕.基于BFD的MPLS隧道故障檢測(cè)及恢復(fù)技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.杭州電子科技大學(xué)，2010.

［6］陶潤(rùn)澤.基于BFD協(xié)議的40G的以太網(wǎng)鏈路檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.華中科技大學(xué)，2013.

Design and implementation of BFD protocol based on multi-core processor

DENG Jia1，2，JI Meng2，LEI Sheng-ping2
（1.Wuhan Research Institue of Posts and Telecommunications，Wuhan 430074，China；2.Wuhan FiberHome Networks，Wuhan 430074，China）

BFD is a bidrectional forwarding fast detection.To solve the problem of slow-forward detection，this paper presents and implements BFD protocol on a multi-core processor platform.sending and processing packets in this mechanism are implements by bottom-driver.bottom-driver receive and send commands through notification to up level.A session is find and matched by hash value.The experiment prove that the time of fast-forward detection is about 20 ms，and it can satisfy the request of rooter.

BFD；multi-core processor；state of link；hash table

TN 915

A

1674－6236（2016）12-0090-03

2015-06-04稿件編號(hào)：201506055

鄧嘉（1989—），男，湖南長(zhǎng)沙人，碩士研究生。研究方向：通信技術(shù)。