基于多核處理器BFD協(xié)議的設計與實現(xiàn)

鄧嘉，吉萌，雷升平

（1.武漢郵電科學研究院湖北武漢430074；2.武漢烽火網(wǎng)絡有限責任公司湖北武漢430074）

基于多核處理器BFD協(xié)議的設計與實現(xiàn)

鄧嘉1，2，吉萌2，雷升平2

（1.武漢郵電科學研究院湖北武漢430074；2.武漢烽火網(wǎng)絡有限責任公司湖北武漢430074）

BFD是一種雙向轉發(fā)快速檢測機制，為解決協(xié)議軟件BFD在鏈路檢測中響應慢的問題，本文提出并實現(xiàn)了一種在多核處理器平臺下基于底層驅(qū)動實現(xiàn)的BFD機制。該機制下所有的收發(fā)包處理都由底層驅(qū)動實現(xiàn)，上層只負責向底層下發(fā)配置命令和接受底層的通告信息；會話表中通過哈希算法查找相應的會話并對相關字段進行匹配。實驗證明，該機制的鏈路檢測響應時間可達20毫秒左右，滿足高性能網(wǎng)絡設備可靠性的要求。

BFD；多核處理器；鏈路狀態(tài)；哈希表

隨著IP數(shù)據(jù)業(yè)務的發(fā)展，網(wǎng)絡鏈路的可靠性越來越受到人們的重視，其中設備之間的鏈路狀態(tài)檢測成為了關注的焦點。相鄰系統(tǒng)之間通信故障快速檢測功能最早應用于傳輸網(wǎng)的SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步數(shù)字體系）設備中，而作為聯(lián)通網(wǎng)的路由器、交換機設備并沒有類似的檢測機制。BFD［1］（Bidirectional Forwarding Detection，雙向轉發(fā)檢測）協(xié)議的出現(xiàn)，填補了網(wǎng)絡設備之間故障檢測協(xié)議的空白，各大設備廠商也紛紛致力于BFD的研究和實現(xiàn)?；谲浖拥腂FD，當對端發(fā)來BFD報文后，由底層送到軟件層，然后進協(xié)議棧解析和匹配，一旦檢測到鏈路故障，需要通告底層切換備用路由，整個過程反應比較遲鈍，無法滿足高端路由器鏈路快速倒換的要求。因此，實現(xiàn)一種能夠?qū)︽溌饭收峡焖贆z測并響應的BFD機制顯得尤為重要。本文提出的基于驅(qū)動實現(xiàn)的BFD，能夠在30毫秒內(nèi)檢測出鏈路故障并做出響應，為快速路由倒換并恢復鏈路爭取了時間，提升了整個網(wǎng)絡鏈路的可靠性。

1　BFD表項設計

BFD的表項設計是通過哈希表來實現(xiàn)的，將源IP和目的IP作為參數(shù)輸入SDK中所提供的一個函數(shù)，生成一個數(shù)字X，因為本哈希表的大小為1K，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，得出一個大小在0到1023之間的哈希值。如果兩對不同的源目的IP但是算出來的哈希值相同的話則會產(chǎn)生哈希沖突，解決哈希沖突這一問題，在這里采用鏈地址的方式，就是通過next指針將沖突的表項鏈接在已存在表項的后面，從BFD的列表［2］中抽象出3個部分：標志位部分（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則是表項中第n個標志位；Match=｛match1，match2，...，matchn｝，matchn屬于集合Match，matchn則是表項中第n個匹配字段位；Consult=｛consult1，consult2，..，consultn｝consultn屬于集合Consult，consultn則是第n個協(xié)商字段。如圖1所示。

2　BFD發(fā)包模塊設計

圖2是整個發(fā)包模塊的流程圖，發(fā)包模塊的定時器是采用輪訓的方式，core8每隔10 ms，掃描整張hash表，也就是說掃描的范圍是從0一直到1023，在表項中有一項為sessionid，如果session-id的值為0則表示該表項沒有會話，則跳過，如果不為空，首先查看是否存在沖突域，如果存在的話，說明在一個hash表項中存在多個會話session［3-4］，需要對其遍歷，并對沖突域中的每一個會話都要對其進行處理，對每一個會話的操作與表項不存在沖突域是對會話的操作相同。當對某一個會話進行處理時，首先要判斷其會話模式是主動模式，被動模式，或者是回聲模式。主動模式和被動模式的主要區(qū)別是當會話狀態(tài)是down的時候，主動模式會不斷的送down包，而被動模式則什么也不做。當會話處于init和up狀態(tài)的時候，主動模式和被動模式的實現(xiàn)過程相同。Core8每掃一次hash表的時候，時間計數(shù)器的數(shù)值會被累加。所以當時間計數(shù)器的值余1 000 ms為0的時候，如果會話的狀態(tài)為down或者init時，則發(fā)送相應狀態(tài)的數(shù)據(jù)包出去。同當會話狀態(tài)為init時，除了發(fā)送init出去以外，還會依據(jù)flag位和detect_multi來判定是否超時。如果超時則將當前會話設置為down，同時上報主控。

如果會話的狀態(tài)是為up的話，發(fā)送up包并將flag位加1的條件是時間計數(shù)器的值余協(xié)商發(fā)包間隔為0的時候，當時間計數(shù)器的值余協(xié)商收包間隔為0的時候，則判斷flag的值是否大于預先設定的detect_multi［5-6］發(fā)包重復次數(shù)。依據(jù)flag位和detect_multi來判定是否超時。如果超時則將當前會話設置為down，同時上報主控

由于是在多核下實現(xiàn)發(fā)包，考慮到線程安全問題，當進入發(fā)包模塊的時候，會給相應表項資源上鎖。從而避免對同一表項，在發(fā)送數(shù)據(jù)包的同時修改數(shù)據(jù)包。

圖1　BFD表項結構圖

圖2　發(fā)包模塊設計流程圖

圖3　收包模塊設計流程圖

3　BFD收包模塊設計

收包是非常關鍵的一部分，系統(tǒng)流程如圖3所示，首先，當接受了一個數(shù)據(jù)包過來，要收包模塊要從主干道將它提取出來，這個數(shù)據(jù)包要符合兩個條件，第一個是其協(xié)議號要是17，說明采用udp，第二個是其端口號為3704。提取出數(shù)據(jù)包以后，首先要判斷這個數(shù)據(jù)包是不是合法的，有兩個條件：第一是將數(shù)據(jù)包的源IP和目的IP提取出來，通過多核處理器上的SDK依據(jù)源目的IP算出hash值，到hash表中去查找對應的session，如果查找到對應的表項為空時，則表明這個數(shù)據(jù)包不是合法的，則丟棄。第二，如果找到了對應的表項，則再去比對其中的字段，首先看有沒有認證，如果有則進行認證。否則查看表項里面唯一的標識符，如果標識符不完全，則將會話雙發(fā)的標識符補全，如果會話雙方的標識符齊全，則判斷數(shù)據(jù)包和表項對應的標示符是否一致。如果不一致則說明數(shù)據(jù)包是不合法的，可能是別人偽造的或者被改過了的，則丟掉。當所有這些條件判斷過后，證明這個數(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)來修改表項中會話的狀態(tài)，如果數(shù)據(jù)包的狀態(tài)為UP，還需要進一步判斷是否需要重新協(xié)商發(fā)包間隔和收包間隔。

收包的話就可以用core1到core7都可以，收發(fā)包是并行工作的，當收包后，數(shù)據(jù)包在修改表項數(shù)據(jù)的時候該表項則會上鎖，這時如果發(fā)包的核在這是后來讀取的話，則會等待，等鎖釋放以后再讀取表項，將包發(fā)出去，所以一定要設一個LOCK，不然一個再改一個在發(fā)，則會出現(xiàn)錯誤，因為修改表項相對于掃描表項的時間是非常短的，所以當遇到鎖的時候核core8等待。

4　實驗與結果分析

本實驗是在高端路由器上進行，實驗儀表為Spirent FestCenter，用儀表模擬一臺路由器設備，建立BFD會話。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　實驗拓撲圖

按圖4連接設備，配置IP地址并保證設備之間能ping通，路由器設備的ip配置為5.5.5.1/24，儀表的IP設置為5.5.5.5/24.在設備上開啟BFD功能。在連接鏈路接口上使能BFD，設置為主動模式，且兩端都為主動方。BFD的主要操作模式稱為主動模式（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控制報文，如果某個系統(tǒng)連續(xù)幾個報文都沒有接收到，就認為此BFD會話的狀態(tài)是Down。當兩端都為主動角色時，兩端的系統(tǒng)都要向?qū)Χ税l(fā)送Your Discriminator為0的BFD控制報文，直到兩端學到對端的Discriminator，然后開始建立會話查看BFD會話。通過主控將其配置到將最小發(fā)送間隔和接受間隔都設置為最小的10 ms，檢測次數(shù)設為2次，因為發(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　主控配置建立會話

當bfd配置好之后，通過儀表連接設備，建立會話session如圖5所示，會話的狀態(tài)有down轉變?yōu)閡p狀態(tài)，說明會話建立成功。

圖5　會話狀態(tài)圖

6　最后結果分析

通過對途中數(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)送時間進行了統(tǒng)計。依據(jù)圖6統(tǒng)計結果所得數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)已秒為單位），分析得出單次發(fā)包所用平均時間10.485 845 ms。發(fā)包間隔大于10 ms的部分是多核在構造數(shù)據(jù)包上所用時間。由于檢測次數(shù)至少為兩次，所以該機制的鏈路檢測響應時間可達30 ms以內(nèi)，滿足高端路由器可靠性的要求。

圖6　BFD響應時間測試結果

7　結束語

基于驅(qū)動層的BFD，對整個BFD報文的收發(fā)處理都在線卡上完成，當會話狀態(tài)發(fā)生改變時，只需要向主控通告相應的會話狀態(tài)信息。這種方式的BFD對鏈路狀態(tài)的感知比較快，當檢測到鏈路故障后，可以在第一時間通告切換備用路由。這種機制避免了鏈路出現(xiàn)故障時主控與線卡之間多次通告的耗時過程，為快速路由倒換節(jié)約了時間。運用這種BFD機制與FRR聯(lián)動，鏈路故障恢復時間可實現(xiàn)50 ms以內(nèi)，滿足骨干網(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)務的發(fā)展，整個網(wǎng)絡的組網(wǎng)結構也愈發(fā)復雜，人們對鏈路的檢測的要求已不僅僅滿足于能夠發(fā)現(xiàn)故障并快速恢復鏈路，而且還要求能夠檢測具體哪條鏈路出現(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)議精確檢測鏈路狀態(tài)，是今后需要進一步研究的方向之一。

［1］王晨.BFD技術在H-VPLS網(wǎng)絡上的實現(xiàn)［D］.南京大學，2012.

［2］蔡素梅，劉蓮花，陳強.BFD的研究及在3G網(wǎng)絡中的應用設計［J］.廣東通信技術，2011（3）:25-29.

［3］韓韜略.分布式BFD系統(tǒng)中驅(qū)動模塊的設計與實現(xiàn)［D］.南京大學，2013.

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

［5］何燕.基于BFD的MPLS隧道故障檢測及恢復技術的研究與實現(xiàn)［D］.杭州電子科技大學，2010.

［6］陶潤澤.基于BFD協(xié)議的40G的以太網(wǎng)鏈路檢測模塊的設計與實現(xiàn)［D］.華中科技大學，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：201506055

鄧嘉（1989—），男，湖南長沙人，碩士研究生。研究方向：通信技術。