數(shù)據(jù)專(zhuān)線上網(wǎng)熱備冗余技術(shù)的應(yīng)用研究

周偉

(上海市信息網(wǎng)絡(luò)有限公司， 上海 200081)

數(shù)據(jù)專(zhuān)線上網(wǎng)熱備冗余技術(shù)的應(yīng)用研究

周偉

(上海市信息網(wǎng)絡(luò)有限公司， 上海 200081)

在部署上網(wǎng)數(shù)據(jù)專(zhuān)線時(shí)，針對(duì)如何有效實(shí)現(xiàn)鏈路失效時(shí)的自動(dòng)檢測(cè)，并完成業(yè)務(wù)流量的自動(dòng)快速切換問(wèn)題，以電信級(jí)數(shù)據(jù)承載網(wǎng)為基礎(chǔ)平臺(tái)，根據(jù)IP SLA以及BFD這兩種技術(shù)的工作原理，結(jié)合數(shù)據(jù)專(zhuān)線上網(wǎng)業(yè)務(wù)的熱備冗余需求提出了解決方案。采用檢測(cè)機(jī)制與路由倒換進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，在故障發(fā)生時(shí)實(shí)現(xiàn)冗余鏈路的自動(dòng)倒換，達(dá)成互為備份功能。實(shí)驗(yàn)比較顯示，基于BFD技術(shù)的路由聯(lián)動(dòng)熱備方案可以提供中斷時(shí)間低于200毫秒級(jí)的冗余保護(hù)，是未來(lái)高端用戶的首選熱備方案。

IP SLA； DVSR； BFD； 熱備份； 毫秒級(jí)

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和規(guī)模的蓬勃發(fā)展，無(wú)論是運(yùn)營(yíng)商還是企業(yè)級(jí)上網(wǎng)專(zhuān)線用戶，都對(duì)網(wǎng)絡(luò)的可靠性、穩(wěn)定性和不間斷傳輸提出了越來(lái)越高的需求。尤其是一些對(duì)業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性和不間斷性要求特別高的重點(diǎn)企事業(yè)單位，例如金融機(jī)構(gòu)、醫(yī)院、政府機(jī)關(guān)、大型高科技企業(yè)，一旦網(wǎng)絡(luò)層面發(fā)生故障，如果僅僅依靠以往的冷備份的方式采取手工切換[1]，在時(shí)間上的消耗勢(shì)必然會(huì)造成一定量的業(yè)務(wù)停頓，甚至有可能會(huì)導(dǎo)致巨大的損失。因此，為了解決冷備所造成的網(wǎng)絡(luò)傳輸間斷的問(wèn)題，本文對(duì)熱備冗余技術(shù)[2]進(jìn)行的研究和測(cè)試實(shí)驗(yàn)，最終提出了一種較優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)熱備方案，實(shí)現(xiàn)了在網(wǎng)絡(luò)層面出現(xiàn)物理鏈路故障或設(shè)備故障時(shí)，可以自動(dòng)切換至備用鏈路的方法，從而提高了網(wǎng)絡(luò)的自愈性和可靠性。

1 IP SLA和BFD技術(shù)分析

一些常用的鏈路熱備技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)基本的遇故障切換后鏈路功能快速恢復(fù)能力。IP SLA(Internet Protocol Service-Level Agreement互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議服務(wù)等級(jí))，旨在監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中兩臺(tái)IP設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)性能[3]。其工作原理是通過(guò)ICMP、UDP等協(xié)議報(bào)文的回包響應(yīng)，對(duì)端到端的連通性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，量化評(píng)估網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，結(jié)合浮動(dòng)靜態(tài)路由[4]或HSRP[5]等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)熱備份的倒換保護(hù)功能，因此在工程中有較多的應(yīng)用。由于采用ICMP的檢測(cè)機(jī)制[6]，所以IP SLA的切換速度為秒級(jí)。而B(niǎo)FD(Bidirectional Forwarding Detection，雙向轉(zhuǎn)發(fā)檢測(cè))，是一種快速檢測(cè)機(jī)制[7]，用于監(jiān)測(cè)網(wǎng)路中鄰居間雙向轉(zhuǎn)發(fā)路徑的連通狀態(tài)。BFD協(xié)議是從基礎(chǔ)傳輸技術(shù)中發(fā)展而來(lái)，是一種通用且標(biāo)準(zhǔn)化的、與傳輸介質(zhì)和網(wǎng)路底層協(xié)議無(wú)關(guān)，具有快速故障檢測(cè)，且輕負(fù)荷等特點(diǎn)的檢測(cè)機(jī)制[8]。從本質(zhì)上講，BFD是一種高速且獨(dú)立的HELLO協(xié)議[9]，其檢測(cè)間隔時(shí)間和開(kāi)銷(xiāo)可根據(jù)不同的網(wǎng)路環(huán)境和路由協(xié)議進(jìn)行調(diào)整。

BFD沒(méi)有自己的鄰居發(fā)現(xiàn)機(jī)制，是靠上層協(xié)議通告給它相關(guān)鄰居的信息，從而建立鄰居和會(huì)話[10]。BFD凈荷可以運(yùn)行在任何媒介或網(wǎng)絡(luò)封裝協(xié)議的頂層，如圖1所示。

圖1 BFD會(huì)話的觸發(fā)過(guò)程

BFD的會(huì)話觸發(fā)過(guò)程為：?jiǎn)⒂蒙蠈訁f(xié)議，例如OSPF協(xié)議[11]，通過(guò)自己的HELLO機(jī)制建立鄰居。上層協(xié)議建立鄰居后，將鄰居參數(shù)及檢測(cè)參數(shù)都(包括目的地址和源地址等)通告給BFD。隨后BFD根據(jù)收到的參數(shù)建立BFD鄰居。

BFD建立鄰居后，便立刻在兩臺(tái)BFD設(shè)備上周期快速發(fā)送BFD報(bào)文。假設(shè)在檢測(cè)周期內(nèi)沒(méi)有收到BFD報(bào)文，則認(rèn)為數(shù)據(jù)流所在的鏈路上出現(xiàn)故障，BFD鄰居拆除，并通告上層協(xié)議終止鄰居關(guān)系，如果在網(wǎng)路中存在與之關(guān)聯(lián)的備用路徑，則可觸發(fā)路徑倒換。BFD的鄰居建立與拆除都是三次握手。將BFD技術(shù)與快速重路由[12](FRR，F(xiàn)ast Re-Route)相結(jié)合，可以進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性和自愈性[13]。

2 熱備份方案的應(yīng)用設(shè)計(jì)

2.1 熱備需求分析及方案分析

對(duì)于高端企業(yè)用戶而言，數(shù)據(jù)專(zhuān)線業(yè)務(wù)的永續(xù)性需求變得越來(lái)越突出。雙機(jī)、雙路徑、雙出口，是熱備份鏈路的基本必要條件。一種專(zhuān)線上網(wǎng)熱備鏈路的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),如圖2所示。

圖2 專(zhuān)線上網(wǎng)熱備鏈路的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

運(yùn)營(yíng)商公網(wǎng)出口的兩臺(tái)路由器設(shè)備R1和R2之間運(yùn)行OSPF路由協(xié)議并重分布直連路由，使用靜態(tài)路由指向客戶網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。

圖3 工作在主用鏈路

在運(yùn)營(yíng)商側(cè)，在主用鏈路有效時(shí)，數(shù)據(jù)流進(jìn)入R1后，按照靜態(tài)路由通過(guò)主用鏈路到達(dá)客戶網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)數(shù)據(jù)流進(jìn)入R2后，由于OSPF從R1學(xué)習(xí)得來(lái)的路由優(yōu)于更改AD值后的本地靜態(tài)路由，所以數(shù)據(jù)流經(jīng)由R1通過(guò)主用鏈路到達(dá)客戶網(wǎng)絡(luò)。

當(dāng)主用鏈路失效后，相關(guān)機(jī)制觸發(fā)撤銷(xiāo)R1上的靜態(tài)路由，OSPF重新收斂路由。當(dāng)數(shù)據(jù)流進(jìn)入R1后，按照OSPF從R2學(xué)習(xí)得來(lái)的路由經(jīng)由R2通過(guò)備用鏈路到達(dá)客戶網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)數(shù)據(jù)流進(jìn)入R2后，按照靜態(tài)路由通過(guò)備用鏈路到達(dá)客戶網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。

圖4 切換至備用鏈路

在主用鏈路恢復(fù)后，主用路由重新生效，OSPF進(jìn)行收斂，數(shù)據(jù)流通過(guò)主用鏈路到達(dá)客戶網(wǎng)絡(luò)。

需要注意的是，在用戶端側(cè)，需要做相同的故障檢測(cè)機(jī)制以及保護(hù)路徑的關(guān)聯(lián)倒換功能。當(dāng)主用路由失效時(shí)，用戶側(cè)和運(yùn)營(yíng)商側(cè)需同時(shí)感知鏈路故障，并將數(shù)據(jù)流都切換到備用鏈路上，才能實(shí)現(xiàn)熱備冗余的保護(hù)效果，如果只是單方面的路徑切換，鏈路將仍然處于中斷的狀態(tài)。

2.2 基于IP SLA的冗余熱備方案

DVSR(Dynamically Verified Static Routing，動(dòng)態(tài)驗(yàn)證靜態(tài)路由)，是一種半動(dòng)態(tài)半靜態(tài)路由協(xié)議[14]，屬于IP SLA協(xié)議中的一種。當(dāng)其檢測(cè)到關(guān)聯(lián)的路由失效時(shí)，就會(huì)撤銷(xiāo)該路由而不會(huì)放入路由表中。DVSR可應(yīng)用于任意播路由、負(fù)載分擔(dān)、路由備份等。

基于IP SLA的冗余熱備方案，部署方法是在公網(wǎng)出口設(shè)備側(cè)的兩臺(tái)設(shè)備上配置DVSR功能，將指向用戶側(cè)的靜態(tài)路由與DVSR關(guān)聯(lián)，當(dāng)公網(wǎng)出口設(shè)備向用戶側(cè)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)兩條上實(shí)現(xiàn)主備結(jié)構(gòu)。在用戶側(cè)配置IP SLA，將靜態(tài)路由與IP SLA關(guān)聯(lián)，從用戶側(cè)至公網(wǎng)出口設(shè)備的兩條獨(dú)立線路上實(shí)現(xiàn)主備結(jié)構(gòu)。

DVSR方案包含3個(gè)要素：把指向客戶網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)路由應(yīng)用DVSR；提高備用鏈路側(cè)靜態(tài)路由的AD值高于OSPF的協(xié)議管理距離；將靜態(tài)路由重分布進(jìn)OSPF路由。

2.3 基于BFD的冗余熱備方案

基于BFD的冗余熱備方案，部署方法是在運(yùn)營(yíng)商公網(wǎng)出口設(shè)備公網(wǎng)出口設(shè)備與用戶端設(shè)備之間啟動(dòng)BFD功能，雙方形成BFD鄰居。將指向用戶側(cè)的靜態(tài)路由與BFD關(guān)聯(lián)，當(dāng)公網(wǎng)出口設(shè)備向用戶側(cè)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)兩條上實(shí)現(xiàn)主備結(jié)構(gòu)。在用戶側(cè)，將靜態(tài)路由與BFD關(guān)聯(lián)，從用戶側(cè)至公網(wǎng)出口設(shè)備的兩條獨(dú)立線路上實(shí)現(xiàn)主備結(jié)構(gòu)。

BFD方案包含3點(diǎn)：把指向客戶網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)路由應(yīng)用BFD；提高備用鏈路側(cè)靜態(tài)路由的AD值高于OSPF的協(xié)議管理距離；將靜態(tài)路由重分布進(jìn)OSPF路由。

3 熱備方案的效果測(cè)試

本次測(cè)試主要針對(duì)數(shù)字專(zhuān)線上網(wǎng)業(yè)務(wù)中，基于IP SLA和BFD兩種熱備冗余方案的的鏈路保護(hù)功能的效果測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。

測(cè)試環(huán)境，如圖5所示。

圖5 熱備份測(cè)試環(huán)境

其中，運(yùn)營(yíng)商公網(wǎng)出口設(shè)備采用Redback SmartEdge系列產(chǎn)品。IP地址規(guī)劃舉例，如表1所示。

表1 IP地址規(guī)劃舉例

3.1 測(cè)試步驟

IP SLA方案測(cè)試步驟如下：

首先，當(dāng)測(cè)試環(huán)境搭建完成后，檢測(cè)兩條互聯(lián)鏈路。在運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)出口設(shè)備上檢測(cè)DVSR的運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)整DVSR間隔參數(shù)。同時(shí)，用戶側(cè)檢測(cè)IP SLA運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)整IP SLA間隔參數(shù)。

模擬鏈路故障導(dǎo)致的主用鏈路中斷時(shí)，即斷開(kāi)主鏈路，檢測(cè)公網(wǎng)出口設(shè)備端DVSR是否被觸發(fā)。然后檢測(cè)用戶端IP SLA是否觸發(fā)。確認(rèn)公網(wǎng)出口設(shè)備至用戶端、用戶端至公網(wǎng)出口設(shè)備雙向流量都已切換至備份鏈路。記錄切換過(guò)程中各階段時(shí)間。

最后，恢復(fù)主鏈路。隨即確認(rèn)公網(wǎng)出口設(shè)備至用戶端、用戶端至公網(wǎng)出口設(shè)備雙向流量全部從備份鏈路自動(dòng)切換回主鏈路。同時(shí)確認(rèn)運(yùn)營(yíng)商側(cè)的DVSR狀態(tài)，以及用戶側(cè)的IP SLA狀態(tài)。

BFD方案測(cè)試步驟如下：

首先，當(dāng)測(cè)試環(huán)境搭建完成后，檢測(cè)兩條互聯(lián)鏈路。在運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)出口設(shè)備上檢測(cè)與用戶側(cè)設(shè)備BFD鄰居運(yùn)行和情況，是否匹配。

模擬鏈路故障導(dǎo)致的主用鏈路中斷時(shí)，即斷開(kāi)主鏈路，檢測(cè)公網(wǎng)出口設(shè)備與用戶側(cè)BFD鄰居關(guān)系，確認(rèn)BFD鄰居斷開(kāi)后備份路由是否被觸發(fā)，并確認(rèn)公網(wǎng)出口設(shè)備至用戶端、用戶端至公網(wǎng)出口設(shè)備雙向流量都已切換至備份鏈路。然后記錄切換過(guò)程中各階段時(shí)間。

最后，恢復(fù)主鏈路。確認(rèn)BFD鄰居關(guān)系是否恢復(fù)。隨即確認(rèn)公網(wǎng)出口設(shè)備至用戶端、用戶端至公網(wǎng)出口設(shè)備雙向流量全部從備份鏈路自動(dòng)切換回主鏈路。同時(shí)確認(rèn)兩側(cè)BFD鄰居狀態(tài)。

3.2 測(cè)試結(jié)果

在SW1和R1后架設(shè)測(cè)試儀，并發(fā)送數(shù)據(jù)流模擬用戶使用流量，設(shè)置每秒發(fā)送10000個(gè)數(shù)據(jù)包，測(cè)算當(dāng)主用鏈路發(fā)生故障時(shí)，觀測(cè)并記錄兩種熱備切換的中斷時(shí)間以及恢復(fù)時(shí)間。

IP SLA熱備切換的時(shí)間，如圖6所示。

圖6 IP SLA熱備切換時(shí)間

從圖6中5組數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，采用IP SLA的方案，切換時(shí)間大致在10秒至11秒之間，其中雙纖的中斷和恢復(fù)時(shí)間略長(zhǎng)于單纖情況，BFD熱備切換的時(shí)間，如圖7所示。

圖7 BFD熱備切換時(shí)間

從圖7中5組數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，采用BFD的方案，切換時(shí)間大致在200毫秒以內(nèi)，其中雙纖的中斷時(shí)間略長(zhǎng)于單纖情況，而恢復(fù)時(shí)間則非常接近。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，IP SLA技術(shù)和BFD技術(shù)兩種熱備冗余方案，部署都很方便，IP SLA的主備鏈路的切換時(shí)間在10多秒，而B(niǎo)FD方案的主備鏈路的切換時(shí)間可以至毫秒級(jí)[15]，保護(hù)效果更優(yōu)。

4 總結(jié)

在運(yùn)營(yíng)商數(shù)據(jù)承載網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及聚合冗余技術(shù)已充分保障了網(wǎng)絡(luò)的健壯性。但對(duì)單鏈路的高端客戶而言，“單點(diǎn)接入”將成為網(wǎng)絡(luò)健壯性的瓶頸。因此，雙鏈路接入，互為冗余保護(hù)，將成為高端用戶的主流鏈路保護(hù)方式。本文針對(duì)提高企業(yè)級(jí)數(shù)字上網(wǎng)專(zhuān)線的入網(wǎng)可靠性提出了解決方案，通過(guò)將IP SLA和BFD的故障檢測(cè)能力與路由切換做聯(lián)動(dòng)，結(jié)合傳統(tǒng)以太承載網(wǎng)內(nèi)部的自愈能力，使承載網(wǎng)具備滿足電信級(jí)業(yè)務(wù)保護(hù)的高可靠性需求。經(jīng)過(guò)理論研究以及在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中對(duì)設(shè)計(jì)方案的實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證，較IP SLA相比，BFD大大縮短了主備鏈路的切換時(shí)間，可以達(dá)到毫秒級(jí)，鏈路自動(dòng)切換，無(wú)需人工干預(yù)，并且BFD作為一種成熟的協(xié)議，設(shè)備兼容性高，運(yùn)行穩(wěn)定，占用系統(tǒng)資源低。因此BFD是未來(lái)可普遍滿足客戶毫秒級(jí)熱備保護(hù)需求的保護(hù)方案。

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Applied Research for Hot-redundancy Technique of Data Special Internet

Zhou Wei

(Shanghai Information Network Co.,Ltd., Shanghai 200081, China)

Considering how to realize the automatic detection of the link and complete the automatic and quick switchover of the traffic flow when a special line for the Internet data is deployed, this paper proposes the solution in order to solve the hot-redundancy for the special internet business base on the carrier-grade data bear the network and combined with working principle of IP SLA and BFD. The solution is that the detection mechanism and route switching is ganged, and the redundancy link realizes automatically change to reach the backup function in the breakdown. Though the test, the hot standby solution of the routine linkage basd on the BED technique can provide the redundancy protection under the 200 millisecond of break period, and will be the first choice for the high-end users in the future.

IP SLA; DVSR; BFD; Hot-redundancy; Milliseconds level

周偉(1972-),男，上海人，高級(jí)工程師，博士，研究方向：數(shù)據(jù)通信、無(wú)線通信。

1007-757X(2017)05-0072-04

TP393.1

A

2016.12.01)