城域網(wǎng)多鏈路帶寬測量系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

黃錦燦陸明典*戴春容杜小洪黃先香白瑪多吉

（1.佛山市氣象局，廣東 佛山 528000；2.那曲班戈縣氣象局，西藏 那曲 852000）

1 引言

廣東省氣象局已經(jīng)完成了市縣氣象業(yè)務(wù)通訊系統(tǒng)的城域網(wǎng)雙鏈路互備建設(shè)，在市局端的兩臺MSR5040路由器上利用BDF、NQA的技術(shù)實現(xiàn)兩條鏈路在發(fā)生故障以后，把業(yè)務(wù)自動切換到另外一條鏈路上，實現(xiàn)業(yè)務(wù)不中斷的應(yīng)用效果[1]，該模型典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓撲如圖1所示。兩條鏈路通訊正常時，核心業(yè)務(wù)通過主干鏈路進行傳輸，視頻會商業(yè)務(wù)通過備份鏈路進行傳輸[2]；當主干鏈路故障時，NQA檢測到主干鏈路的網(wǎng)關(guān)不可達，路由器Track聯(lián)動模塊將業(yè)務(wù)切換到備份鏈路，從而實現(xiàn)雙鏈路的主備自動切換。

圖1 市縣氣象業(yè)務(wù)通信系統(tǒng)城域網(wǎng)拓撲圖

由于策略規(guī)則的原因，在當前應(yīng)用環(huán)境下，要實現(xiàn)兩條鏈路的帶寬測量，需要先對主干鏈路進行帶寬測量，然后斷開主干鏈路，將所有業(yè)務(wù)遷移到備份鏈路，再進行帶寬測量。斷開主干鏈路需要登錄路由器禁用端口，或者采取插拔網(wǎng)線或運營商光纖的方式。手工進行該項操作有兩個弊端：有可能在操作期間影響到其他端口，甚至帶來接口模塊的物理損壞；其次，斷開主干鏈路后，所有的通訊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到備份鏈路，而備份鏈路帶寬小，測量期間還要承載大量的數(shù)據(jù)傳輸，對測量結(jié)果影響較大。為改進上述測量流程，本文提出一種利用服務(wù)器的靜態(tài)路由功能以及對端路由器的策略路由功能[3]，實現(xiàn)主備等多鏈路的帶寬測量方案。

其中，s為文件大小，單位：比特，?t為傳輸時間差，單位：秒。

常用的TCP傳輸以FTP、HTTP、SOCKET為主，這幾種傳輸方式中以FTP最為簡單。FTP即文件傳輸協(xié)議（File Transfer Protocol），它可以在網(wǎng)絡(luò)中傳輸多種類型的文件，用戶通過一個支持FTP協(xié)議的客戶端程序，連接到遠程FTP服務(wù)器，通過命令能夠?qū)崿F(xiàn)文件的上傳和下載[5]，本文采用FTP傳輸來進行帶寬測試[6]。

2 多鏈路網(wǎng)絡(luò)路由分析

數(shù)據(jù)鏈路帶寬測量是利用網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備測量鏈路端到端的帶寬，端到端可用帶寬真實反映了某時段內(nèi)鏈路的實際通信能力，對提高網(wǎng)絡(luò)接入效率和提高服務(wù)質(zhì)量有著顯著的指導(dǎo)意義[4]。本文忽略傳輸期間背景損耗及測試期間其他業(yè)務(wù)的影響，將鏈路速率定義為：

根據(jù)圖1的網(wǎng)絡(luò)拓撲，帶寬測量可由市局作為發(fā)起端，縣局作為接收端進行數(shù)據(jù)上傳和下載，從而計算端到端的傳輸速率。據(jù)此，在市局即發(fā)起端設(shè)置一臺服務(wù)器A運行測量軟件，縣局即接收端設(shè)置一臺服務(wù)器B運行FTP服務(wù)器軟件。令服務(wù)器A的IP地址為10.151.1.10；服務(wù)器B配置2個IP地址，設(shè)為10.151.16.10，10.151.16.11（子接口）。A和B都應(yīng)該盡量接近邊界路由器，這樣可以避免不必要的網(wǎng)絡(luò)損耗，對內(nèi)網(wǎng)的影響也能夠降至最低。

進行主干鏈路帶寬測量時，A與B的IP地址10.151.16.10進行通訊；接收端回程路由使用默認配置，指定下一跳是1.1.1.1。往返數(shù)據(jù)包路由如下：

去程：10.151.1.10->10.151.1.250->1.1.1.1->1.1.1.2->10.151.16.1->10.151.16.10。

回程：10.151.16.10->10.151.16.1->1.1.1.2->1.1.1.1->10.151.1.250->10.151.1.10。

進行備份鏈路帶寬測量時，A配置靜態(tài)路由，指定前往B的IP地址10.151.16.11，其下一跳網(wǎng)關(guān)是10.151.1.251；接收端路由器新增策略路由，指定回程的下一跳是2.1.1.1。往返數(shù)據(jù)包路由如下：

去程：10.151.1.10->10.151.1.251->2.1.1.1->2.1.1.2->10.151.16.1->10.151.16.11。

回程：10.151.16.11->10.151.16.1->2.1.1.2->2.1.1.1->10.151.1.251->10.151.1.10。

兩種情況的路由拓撲圖如圖2所示，若存在多條鏈路，也可按上述流程進行路由分析。

圖2 兩種情況的路由拓撲圖

3 靜態(tài)路由

根據(jù)路由分析結(jié)果，服務(wù)器A需要通過靜態(tài)路由，指定去往10.151.16.11，下一跳是備份鏈路所連接的B路由器，在Linux操作系統(tǒng)上，使用route命令指定靜態(tài)路由：

route add-host 10.151.16.11 gw 10.151.1.251

如果有多條鏈路，則需要依次添加該鏈路所連接路由器網(wǎng)關(guān)的靜態(tài)路由。

4 策略路由

4.1 策略路由分析

通過路由分析可知，位于發(fā)起端的服務(wù)器A完成路由設(shè)置后，A去往接收端的服務(wù)器B已經(jīng)能夠按需走主干或者是備份鏈路。但是接收端的路由器，在未設(shè)置策略路由的情況下，默認是走主干鏈路的，需要在縣局路由器上，編寫規(guī)則，匹配源IP地址為10.151.16.11去往10.151.1.11的數(shù)據(jù)包，其下一跳是備份鏈路的網(wǎng)關(guān)。

4.2 策略路由配置

創(chuàng)建ACL規(guī)則：

[MSR3020]acl advanced 3000

[MSR3020-acl-adv-3000]rule permitip source 10.151.16.110 destination 10.151.1.100

創(chuàng)建策略路由：

[MSR3020]policy-based-route bandwidth_test node 10

[MSR3020-pbr-bandwidth_test-10]if-match acl 3000

[MSR3020-pbr-bandwidth_test-10]apply ip-address nexthop 2.1.1.1

在10.151.16.1所在的端口上，下發(fā)策略路由規(guī)則：

[MSR3020-Ethernet5/0]ip policy-based-route bandwidth_test

路由器配置完成后，通過執(zhí)行trace[7]命令跟蹤路由走向，其輸出結(jié)果與4.1的分析結(jié)論一致。

5 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

5.1 功能概述

設(shè)計輔助軟件，目的是簡化日常的管理工作，將原先由人工完成的操作流程，交由軟件來定時執(zhí)行測量，以及記錄測量結(jié)果、進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。多鏈路帶寬測量系統(tǒng)使用Java語言進行編碼，采用MySQL作為數(shù)據(jù)存儲工具[8]，軟件系統(tǒng)主要功能包括鏈路信息的增刪改查、轄區(qū)信息增刪改查、計劃任務(wù)增刪改查、報表定義等。

5.2 主要模塊設(shè)計

(1)鏈路信息管理

鏈路信息是一個POJO類，屬性分別為：鏈路名稱，對應(yīng)的IP地址（服務(wù)器A據(jù)此編寫靜態(tài)路由），F(xiàn)TP端口號，F(xiàn)TP登錄用戶名和密碼，用于測量的文件名。

(2)測量計劃任務(wù)管理

測量計劃是一個POJO類，屬性分別為：縣局名稱，開通的鏈路名稱，測量執(zhí)行時間，測量次數(shù)。測量執(zhí)行時間使用Quartz包進行管理，Quartz框架是一個全功能、開源的任務(wù)調(diào)度服務(wù)，其標準的cron表達式為[秒分時日月星期年]。

軟件系統(tǒng)安裝在服務(wù)器A上，程序啟動后，根據(jù)預(yù)先配置的規(guī)則，定時器根據(jù)規(guī)則分別向服務(wù)器B循環(huán)上傳和下載文件，并記錄傳輸文件大小及起止時間，計算出鏈路帶寬。

5.3 上傳和下載的實現(xiàn)

Java提供了很多FTP的客戶端工具[9]，本文使用ftp4j來完成，ftp4j包含了較為完整的FTP接口封裝，根據(jù)程序設(shè)計文檔，在執(zhí)行FTP上傳、下載時，記錄文件大小、傳輸起止時間，部分代碼如下：

上述代碼，展示了數(shù)據(jù)測量和存儲流程。

5.4 整體開發(fā)

通過定時任務(wù)功能，調(diào)用帶寬測量服務(wù)接口，完成了任意鏈路的帶寬測量，并將結(jié)果存儲到數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫中包含了完整的帶寬測量信息，利用ECharts將帶寬測量的結(jié)果以圖表的形式展現(xiàn)出來[10]。

6 結(jié)束語

本文探討了利用路由器策略路由功能、服務(wù)器靜態(tài)路由功能，分析設(shè)計并實現(xiàn)一套多數(shù)據(jù)鏈路的網(wǎng)絡(luò)帶寬自動測量軟件系統(tǒng)。經(jīng)過業(yè)務(wù)運行，證實該軟件能夠簡化日常的帶寬測試工作，測量期間無需人工干預(yù)，且對業(yè)務(wù)的影響比較小，有效提高了網(wǎng)絡(luò)維護人員的工作效率。

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