基于VRRP的衛(wèi)星基帶設(shè)備高可用方案設(shè)計(jì)

胡俊祥，張問(wèn)謙，王強(qiáng)

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣州 510663）

基于VRRP的衛(wèi)星基帶設(shè)備高可用方案設(shè)計(jì)

胡俊祥，張問(wèn)謙，王強(qiáng)

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣州 510663）

介紹HaigeSat衛(wèi)星基帶設(shè)備和VRRP協(xié)議，針對(duì)HaigeSat基帶設(shè)備進(jìn)行1：1熱備份方案設(shè)計(jì)，解決并優(yōu)化不同模式下的切換問(wèn)題。

衛(wèi)星基帶設(shè)備；1：1熱備份；VRRP；中頻倒置開(kāi)關(guān)

1 概述

1.1 目的

衛(wèi)星通信鏈路由于其通信距離遠(yuǎn)、傳輸數(shù)據(jù)能力強(qiáng)、頻譜資源珍貴等特點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)中往往會(huì)作為跨區(qū)域主干鏈路來(lái)傳輸高價(jià)值數(shù)據(jù)。通信中斷往往會(huì)對(duì)用戶造成較大的損失，尤其在某些特殊應(yīng)用場(chǎng)景如航天控制、新聞直播、應(yīng)急指揮等對(duì)哪怕幾秒鐘的通信鏈路中斷都會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。為了提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)的可靠性，對(duì)衛(wèi)星通信中的關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行高可用性（H.A，High Availability）設(shè)計(jì)是完全必要的也是可行的，這樣可以從根本上避免因單臺(tái)基帶設(shè)備故障而導(dǎo)致通信鏈路完全中斷的情況。目前國(guó)外主流衛(wèi)星通信基帶設(shè)備大多能提供1：1或1：N的熱備份手段，可以通過(guò)兩臺(tái)或多臺(tái)同樣型號(hào)的設(shè)備再加上一個(gè)多端口的射頻倒置開(kāi)關(guān)組成1：1或1：N備份配置。在對(duì)國(guó)外設(shè)備研究和借鑒后，本文針對(duì)海格通信公司研制的HaigeSat系列衛(wèi)星通信基帶設(shè)備進(jìn)行1：1熱備份高可用性設(shè)計(jì)。

1.2 HaigeSat衛(wèi)星基帶設(shè)備介紹

HaigeSat衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器（下文簡(jiǎn)稱基帶設(shè)備），能在通信衛(wèi)星的覆蓋范圍內(nèi)提供點(diǎn)到點(diǎn)或組網(wǎng)的高速數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。采用L中頻接口（950MHz～1750MHz），支持C、Ku、Ka等多種頻段衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，并通過(guò)收發(fā)饋線對(duì)室外設(shè)備（包括BUC和LNB）提供10MHz參考時(shí)鐘和24V直流電源?；鶐гO(shè)備面向標(biāo)準(zhǔn)IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，提供標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口，為用戶解決遠(yuǎn)距離、跨區(qū)域通信的問(wèn)題。基帶設(shè)備的工作原理框圖如下：

基帶設(shè)備部署在衛(wèi)星地球站，可以配置工作在二層或三層模式，起到地面網(wǎng)口和衛(wèi)星網(wǎng)口中繼轉(zhuǎn)換的作用。其和地球站其他設(shè)備的連接關(guān)系如下：

圖2 衛(wèi)星通信設(shè)備連接關(guān)系圖

基帶設(shè)備具備兩種類型的接口——數(shù)據(jù)和中頻。數(shù)據(jù)接口為一個(gè)10M/100M自適用以太網(wǎng)口，用于連接用戶數(shù)據(jù)設(shè)備，如計(jì)算機(jī)、視頻編解碼器、交換機(jī)、路由器等。中頻接口為L(zhǎng)中頻接口，分別提供發(fā)射和接收兩個(gè)接口用于連接衛(wèi)星上行鏈路和下行鏈路，并能為上行鏈路設(shè)備和下行鏈路設(shè)備提供電源和時(shí)鐘。

1.3 總體設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)基帶的1：1熱備份，我們需要兩臺(tái)同時(shí)工作的基帶設(shè)備，在檢查自身或?qū)Ψ焦ぷ鳡顟B(tài)的同時(shí)，能夠?qū)?shù)據(jù)和中頻的信號(hào)進(jìn)行無(wú)縫切換。其原理框圖如圖3所示：

圖3 基帶設(shè)備1：1熱備份框圖

兩臺(tái)基帶設(shè)備一臺(tái)標(biāo)識(shí)為主用設(shè)備負(fù)責(zé)所有業(yè)務(wù)處理，另一臺(tái)標(biāo)識(shí)為備用設(shè)備處于監(jiān)聽(tīng)和待機(jī)狀態(tài)。一旦主要設(shè)備發(fā)生了故障，備用設(shè)備能在短時(shí)間內(nèi)切換成主用設(shè)備，接管所有業(yè)務(wù)。當(dāng)主用設(shè)備恢復(fù)后，備用設(shè)備重新切換為待機(jī)工作狀態(tài)，由主用設(shè)備重新接管所有業(yè)務(wù)。

要實(shí)現(xiàn)上述自動(dòng)切換功能，需要解決三個(gè)技術(shù)問(wèn)題：IP數(shù)據(jù)流切換、中頻倒置切換（包含饋鐘饋電）、切換策略。

（1）IP數(shù)據(jù)流切換。TCP/IP協(xié)議中，局域網(wǎng)中數(shù)據(jù)尋址主要是根據(jù)數(shù)據(jù)鏈層的MAC地址，其中MAC地址的發(fā)現(xiàn)和管理是通過(guò)ARP協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)。要改變IP數(shù)據(jù)流可以從ARP協(xié)議里面來(lái)做文章，通過(guò)自動(dòng)更新各設(shè)備上的ARP表來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的切換。VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol，虛擬路由冗余協(xié)議）協(xié)議是一個(gè)用以解決局域網(wǎng)中配置靜態(tài)網(wǎng)關(guān)出現(xiàn)單點(diǎn)失效現(xiàn)象的路由協(xié)議，其正是通過(guò)主動(dòng)發(fā)起ARP更新來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流切換，在第2節(jié)會(huì)對(duì)該協(xié)議進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

（2）中頻倒置切換。由于衛(wèi)星通信上行和下行鏈路各只有一路，從理論上分析兩臺(tái)設(shè)備只應(yīng)其中一臺(tái)接入上行和下行鏈路，并為室外單元提供饋鐘和饋電。但由于無(wú)線通信的傳輸特點(diǎn)，對(duì)于下行信號(hào)多個(gè)設(shè)備同時(shí)接收并不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)解調(diào)產(chǎn)生任何影響，相反兩個(gè)設(shè)備同時(shí)接收一個(gè)信號(hào)，可以更好的對(duì)比設(shè)備的工作狀態(tài)。因此可以設(shè)計(jì)為兩臺(tái)設(shè)備同時(shí)接收解調(diào)，但限制備用設(shè)備的網(wǎng)口數(shù)據(jù)發(fā)送。對(duì)于上行信號(hào)，也可以選擇兩臺(tái)設(shè)備切換或信號(hào)合成的方式，兩種方式都有其應(yīng)用的需求，將在后續(xù)設(shè)計(jì)中進(jìn)一步分析。

（3）切換策略。故障檢測(cè)是切換的先決條件，VRRP已經(jīng)有完整的機(jī)制應(yīng)對(duì)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)失效，但對(duì)設(shè)備的性能指標(biāo)下降、非網(wǎng)絡(luò)功能故障則無(wú)能為力，因此我們可以在VRRP檢查調(diào)度的基礎(chǔ)上結(jié)合設(shè)備功能性能特點(diǎn)，進(jìn)一步優(yōu)化切換策略。

基于上述分析，我們?cè)O(shè)計(jì)基帶設(shè)備1：1熱備份方案如圖4所示：

圖4 基帶設(shè)備1：1熱備份框圖

2 VRRP協(xié)議

2.1 協(xié)議介紹

VRRP是由IETF提出的解決局域網(wǎng)中配置靜態(tài)網(wǎng)關(guān)出現(xiàn)單點(diǎn)失效現(xiàn)象的路由協(xié)議，1998年已推出正式的RFC2338協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。VRRP廣泛應(yīng)用在邊緣網(wǎng)絡(luò)中，它的設(shè)計(jì)目標(biāo)是支持特定情況下IP數(shù)據(jù)流量失敗轉(zhuǎn)移不會(huì)引起混亂，允許主機(jī)使用單路由器（衛(wèi)星基帶設(shè)備可以等效成一臺(tái)路由器），以及及時(shí)在實(shí)際第一跳路由器使用失敗的情形下仍能夠維護(hù)路由器間的連通性。

VRRP協(xié)議組織多臺(tái)路由器為一個(gè)虛擬的路由器，對(duì)外提供一個(gè)虛擬的IP，而在路由器組中，如果哪一臺(tái)路由器優(yōu)先級(jí)最高的話，那個(gè)這臺(tái)路由器就是Master路由器。Master的主要功能是實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)的一些功能，如局域網(wǎng)計(jì)算機(jī)的ARP解析請(qǐng)求，ICMP的ping測(cè)試，數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)Master網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)發(fā)等。此外Master還每隔一個(gè)間隔在局域網(wǎng)組播一個(gè)關(guān)于自己的報(bào)文（組播地址224.0.0.1）[1]。報(bào)文中包含了VRRP版本號(hào)、VRID（只有具備相同VRID的主機(jī)才屬于一個(gè)VRRP路由器組）、優(yōu)先級(jí)、地址數(shù)量、認(rèn)證類型、廣播周期、校驗(yàn)和、虛擬IP地址等信息。其他路由器統(tǒng)稱為Backup路由器，平時(shí)靜默條件下監(jiān)聽(tīng)Master發(fā)送的VRRP報(bào)文，一旦報(bào)文超時(shí)則選舉出新的Master接替原Master的所有工作。

VRRP協(xié)議在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中包括三個(gè)基本狀態(tài)，即Initialize初始狀態(tài)、Backup備份狀態(tài)、Master主狀態(tài)。后兩個(gè)狀態(tài)的遷移都是隨著VRR衛(wèi)的啟動(dòng)而啟動(dòng)。其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖5所示：

圖5 VRRP狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

Initialize：路由器系統(tǒng)啟動(dòng)后進(jìn)入此狀態(tài)，當(dāng)接入網(wǎng)絡(luò)的某個(gè)接口開(kāi)啟VRRP以后，將轉(zhuǎn)入Backup（優(yōu)先級(jí)不為255時(shí)）或Master狀態(tài)（優(yōu)先級(jí)為255時(shí)），此狀態(tài)下路由器不會(huì)對(duì)VRRP報(bào)文做任何處理。

Backup：該狀態(tài)下的路由器主要是用以監(jiān)聽(tīng)Master路由器的狀態(tài)，他的主要工作是接受VRRP廣播報(bào)文而知道Master的狀態(tài)，而對(duì)于虛擬的IP到MAC得請(qǐng)求不做響應(yīng)，也不會(huì)產(chǎn)生目的地為虛擬IP和MAC的數(shù)據(jù)包。

Master：處于Master的路由器除了定期發(fā)送VRRP廣播報(bào)文以通知備份組內(nèi)的其他Backup路由器本虛擬組的IP和MAC等信息外，還需要對(duì)局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)流量進(jìn)行處理（如局域網(wǎng)有對(duì)于虛擬IP的ARP請(qǐng)求，Master路由器必須以虛擬組的虛擬MAC地址做出回應(yīng)；如存在虛擬MAC和IP的報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求，必須給予轉(zhuǎn)發(fā)）。

各個(gè)過(guò)程的轉(zhuǎn)換過(guò)程觸發(fā)事件如下：

①當(dāng)一臺(tái)位于備份組中的路由器啟動(dòng)VRRP協(xié)議的時(shí)候,如果這臺(tái)路由器的優(yōu)先級(jí)被定義為最大255；

②當(dāng)一臺(tái)為Master的路由器收到關(guān)閉消息的時(shí)候；

③當(dāng)一臺(tái)位于備份組中的路由器啟動(dòng)VRRP協(xié)議的時(shí)候,如果這臺(tái)路由器的優(yōu)先級(jí)被定義為小于255；

④當(dāng)一臺(tái)為Backup的路由器收到關(guān)閉的消息時(shí)候；

⑤當(dāng)一臺(tái)為Backup的路由器在主路由器響應(yīng)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到主路由器的報(bào)文；

⑥當(dāng)一臺(tái)Master的路由器收到一個(gè)比自己的優(yōu)先級(jí)高的報(bào)文的時(shí)候。

2.2 VRRPd 介紹和使用方法

鑒于VRRP的簡(jiǎn)單和高效，許多優(yōu)秀的程序設(shè)計(jì)師開(kāi)發(fā)出了基于VRRP的應(yīng)用程序，VRRPd就是其中一款針對(duì)Linux內(nèi)核開(kāi)源代碼。該代碼在sourceforge上發(fā)布，最新版本為1.15。VRRPd遵照rfc2338的描述實(shí)現(xiàn)了VRRPv2，可以簡(jiǎn)單的在路由器或其它設(shè)備中實(shí)現(xiàn)路由冗余備份。VRRPd的工作原理同樣是多臺(tái)路由器組成一個(gè)虛擬路由器，共同維護(hù)一個(gè)虛擬IP和虛擬ID。同一時(shí)刻只有標(biāo)識(shí)為Master的路由器負(fù)責(zé)發(fā)起通告和處理網(wǎng)口數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，其他路由器保持監(jiān)聽(tīng)和靜默狀態(tài)。直到標(biāo)識(shí)為Backup的路由器超時(shí)未收到通告后才由備用路由器選舉出一個(gè)新的Master進(jìn)行工作接替。

VRRPd的運(yùn)行過(guò)程通過(guò)一條簡(jiǎn)單的命令行實(shí)現(xiàn)，格式如下：

vrrpd-i ifname-v vrid[-f piddir][-s][-a auth][-p prio][-nh][-m prog][-bprog]ipaddr其中：

●-i ifname：接口設(shè)備的名稱，如 eth0、ppp0；

●-v vrid：虛擬路由器的ID，范圍為1-255；

●-p prio：主機(jī)的優(yōu)先級(jí)，范圍為1-254，缺省為100；

●-d delay：通告間隔時(shí)間，以秒為單位，備份設(shè)備在3個(gè)間隔時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到通告則開(kāi)始競(jìng)選新的Master；

●-s：搶占模式，缺省為開(kāi)啟。開(kāi)啟搶占模式后當(dāng)主設(shè)備收到優(yōu)先級(jí)更高的主機(jī)通告后將轉(zhuǎn)換為Backup狀態(tài)。

●-a auth：認(rèn)證模式，有無(wú)認(rèn)證、簡(jiǎn)單文本認(rèn)證和MD5認(rèn)證（未實(shí)現(xiàn)）三種方式；

●-n：忽略虛擬mac地址；

●-f piddir：PID文件存放目錄；

●-m prog：切換到Master后運(yùn)行的腳本；

●-b prog：切換到Backup后運(yùn)行的腳本；

●ipaddr：虛擬路由器的ip地址

從接口上不難看出VRRPd可以通過(guò)-m和-b參數(shù)和外部程序交互。當(dāng)然外部程序也可以控制VR-RPd的工作狀態(tài)，具體方式就是通過(guò)SIGUSR1和SIGUSR2兩個(gè)信號(hào)量來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)程序收到SIGUSR1信號(hào)時(shí)強(qiáng)制設(shè)置成Master，當(dāng)收到SIGUSR2信號(hào)時(shí)強(qiáng)制設(shè)置成Backup。

3 1∶1倒置開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

3.1 兩種工作模式

HaigeSat基帶設(shè)備擁有兩種工作模式[2]，一種是SCPC點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式，一種是TDMA組網(wǎng)模式。這兩種工作模式下接收通路工作狀態(tài)是完全一致的，但發(fā)射通路則有所區(qū)別。在SCPC點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式下，無(wú)論網(wǎng)口是否接收到數(shù)據(jù)，基帶設(shè)備都會(huì)發(fā)送連續(xù)載波（無(wú)數(shù)據(jù)時(shí)填充空包）。在TDMA組網(wǎng)模式下，只有設(shè)備需要轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)口數(shù)據(jù)或設(shè)備需要和主站進(jìn)行交互信令時(shí)才會(huì)產(chǎn)生時(shí)隙突發(fā)載波；并且在主站時(shí)隙計(jì)劃管理下，任意兩個(gè)設(shè)備產(chǎn)生的突發(fā)載波從時(shí)域上看都是嚴(yán)格間隔開(kāi)的。這兩種模式對(duì)倒置開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)需求將有所不同，SCPC模式下倒置開(kāi)關(guān)必須保證只有一臺(tái)設(shè)備的發(fā)射信號(hào)送到BUC，否則會(huì)造成互相干擾；而TDMA模式下倒置開(kāi)關(guān)允許兩個(gè)信號(hào)合成后送到BUC（因?yàn)閮蓚€(gè)信號(hào)由時(shí)隙計(jì)劃保證不會(huì)發(fā)生碰撞），這樣更利于設(shè)備的快速切換和故障管理。

3.2 模塊設(shè)計(jì)

實(shí)際應(yīng)用中基帶設(shè)備發(fā)射和接收信號(hào)往往會(huì)參入了參考時(shí)鐘和直流電平，在切換過(guò)程中除了要考慮中頻信號(hào)的切換外，還需要考慮參考時(shí)鐘和直流電平的切換。綜合考慮基帶設(shè)備的兩種模式，給出設(shè)計(jì)框圖如圖6所示。

在發(fā)射輸入端，設(shè)置兩個(gè)電控單刀雙擲開(kāi)關(guān)（SPDT），用于根據(jù)基帶設(shè)備的不同工作模式進(jìn)行切換。在發(fā)射和接收通路上各設(shè)置一個(gè)電控雙刀雙擲開(kāi)關(guān)（DPDT），用于兩個(gè)設(shè)備之間進(jìn)行信號(hào)切換和備用設(shè)備信號(hào)能量吸收。另外根據(jù)中頻信號(hào)的特點(diǎn)，將中頻信號(hào)中的中頻部分、參考時(shí)鐘和直流電平通過(guò)濾波分別提取出來(lái)進(jìn)行處理，處理完成后再進(jìn)行重新組合。模塊通過(guò)MCU來(lái)和基帶設(shè)備通信，驅(qū)動(dòng)SPDT和DPDT兩個(gè)開(kāi)關(guān)的切換。另外模塊采用雙電源供電，保證任何一個(gè)基帶設(shè)備失效都不影響倒置開(kāi)關(guān)工作。

圖6 倒置開(kāi)關(guān)原理框圖

4 切換策略優(yōu)化

有了VRRP和倒置開(kāi)關(guān)模塊后，我們可以進(jìn)一步優(yōu)化切換策略。借助VRRP，主備設(shè)備之間可以建立起基于網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)下的自動(dòng)倒置切換，但僅依靠VRRP還是具有相當(dāng)?shù)木窒扌?。具體表示為：1、設(shè)備出現(xiàn)非網(wǎng)絡(luò)連接故障時(shí)，網(wǎng)口往往正常收到通告報(bào)文，設(shè)備無(wú)法自動(dòng)切換；2、失效等待時(shí)間至少為3個(gè)通告周期，缺省狀態(tài)下最少3秒后才能進(jìn)行切換。3、Linux一般為任務(wù)搶占式非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，當(dāng)設(shè)備處理資源耗盡時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致通告發(fā)送延遲或丟失，從而造成誤切換。

為了提高切換的效果和效率，結(jié)合衛(wèi)星通信基帶設(shè)備的特點(diǎn)在VRRP中加入以下機(jī)制策略：

（1）結(jié)合衛(wèi)星基帶設(shè)備的特點(diǎn)加入了通告應(yīng)答機(jī)制，應(yīng)答報(bào)文中Backup設(shè)備的主要工作狀態(tài)信息（包括接收信噪比、誤碼率、TDMA同步情況等）告知Master設(shè)備，一旦Master發(fā)現(xiàn)自身的性能遠(yuǎn)落后于Backup時(shí)發(fā)起主動(dòng)切換。

（2）通過(guò)基帶設(shè)備對(duì)內(nèi)部各模塊的故障檢測(cè)機(jī)制進(jìn)行定期檢查，一旦Master發(fā)生嚴(yán)重告警，則主動(dòng)切換到Backup模式。

（3）減小通告發(fā)送間隔并提高發(fā)送線程的優(yōu)先級(jí)。為了保證通告發(fā)送的及時(shí)性可以提高發(fā)送線程的優(yōu)先級(jí)，并可以根據(jù)設(shè)備資源的使用情況進(jìn)一步減少通告發(fā)送時(shí)間，這樣可以更快的發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)進(jìn)行切換。

[1]馬海平.VRRP協(xié)議的應(yīng)用及優(yōu)化研究，2010.10.

[2]詳細(xì)參見(jiàn)海格通信公司的HaigeSat D/WT-2A型衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器用戶手冊(cè).

[3]鄭艷濤.VRRP協(xié)議應(yīng)用和改進(jìn)研究，2007.5.

Design of High Availability for Satellite Baseband Equipment Based on VRRP

HU Jun-xiang,ZHANG Wen-qian,WANG Qiang
（Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company,Guangzhou 510663）

Describes HaigeSat satellite baseband equipment and VRRP,and designs a 1：1 redundancy method for it,solves and optimizes switching problem in different modes.

Satellite Baseband Equipment;1：1 Redundancy;VRRP;IF Inverting Switch

1007-1423（2017）31-0075-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.31.018

胡俊祥（1984-），男，廣西象州人，碩士，中級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾畔⑼ㄐ?/p>

張問(wèn)謙（1987-），男，江西泰和人，碩士，中級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾畔⑼ㄐ?/p>

王強(qiáng)（1991-），男，廣西桂林人，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)樯漕l微波

2017-09-20

2017-10-25