BFD技術(shù)在武漢氣象信息網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

尹常紅 胡雅超 袁文波

摘要：在對BFD工作原理分析研究基礎(chǔ)上，結(jié)合武漢氣象信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)實際和要求，引入BFD技術(shù)，應(yīng)用BFD的雙向檢測機(jī)制，在出現(xiàn)線路故障時，能夠?qū)崿F(xiàn)氣象通信網(wǎng)絡(luò)路由的快速收斂和通信線路的瞬時切換，確保氣象信息網(wǎng)絡(luò)傳輸穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：BFD；OSPF；路由收斂

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）07-0240-04

Abstract： On the basis of our analysis about BFD， considered the requirement and actual situation on the construction of Wuhan meteorological information network， we introduced the BFD technology and applied the bidirectional detection mechanism of BFD. When a line fault occurs， the meteorological communication lines can be switched immediately，after the fast routing convergence ended. It will ensure the meteorological information network runs stably.

Key words： BFD；OSPF；routing convergence

1 引言

現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，對氣象信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信質(zhì)量提出了更高的要求，氣象信息網(wǎng)絡(luò)承載了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、圖形圖像、音視頻信息以及公文文件的實時傳輸，氣象信息網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定可靠是氣象業(yè)務(wù)服務(wù)的基礎(chǔ)支撐。為了確保一些實時業(yè)務(wù)不中斷，除了建設(shè)通信備份鏈路之外，還需要在故障發(fā)生時快速切換到備份鏈路?？焖偾袚Q不僅包括通道的切換，也包含通信路由的收斂與重新發(fā)現(xiàn)后的刷新。鏈路的自動切換應(yīng)用較容易實現(xiàn)，關(guān)鍵是需要能建立一套有效的故障檢測機(jī)制，在故障發(fā)生后，能夠及時發(fā)現(xiàn)，迅速采取措施，斷開無效路由，建立起新的通信路由。

2 氣象信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

2.1網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)現(xiàn)狀

經(jīng)過近幾年來連續(xù)的升級改造，武漢市氣象局已建成了以MPLS（Multi-Protocol Label Switching，多協(xié)議標(biāo)簽交換）、MSTP（Multi-Service Transfer Platform，基于SDH的多業(yè)務(wù)傳送平臺）、MPLS-VPN混合方式的氣象廣域網(wǎng)系統(tǒng)，市、區(qū)兩級氣象系統(tǒng)均以CE（Customer Edge，用戶邊緣設(shè)備）的方式接入移動MPLS VPN網(wǎng)，MPLS VPN線路作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹骶€路；備份模式下，各區(qū)氣象通過電信MSTP 10M線路匯聚至市氣象局，市氣象局通過電信MSTP 10M線路匯聚至省氣象局。

氣象廣域網(wǎng)中需要數(shù)據(jù)傳輸或交換業(yè)務(wù)種類較多，其中有各類觀測數(shù)據(jù)、預(yù)報產(chǎn)品、辦公信息、音視頻流等。根據(jù)業(yè)務(wù)工作需要，從武漢市氣象局到湖北省氣象局建立了兩條互為備份的通信線路，在兩條線路都正常的前提下，根據(jù)不同業(yè)務(wù)傳輸對帶寬、時延等要求的高低，通過策略路由或者其方式使該項業(yè)務(wù)運行在優(yōu)先運行于某條線路上。如視頻會商要求時延低，因此適合將該項業(yè)務(wù)放在電信MSTP線路上運行，而對于帶寬要求大，時延要求不是很高的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，則適合放在MPLS VPN運行。

2.2通信穩(wěn)定性要求

武漢市氣象業(yè)務(wù)服務(wù)系統(tǒng)很多需要實時數(shù)據(jù)傳輸，天氣視頻會商系統(tǒng)更要求了音視頻的連續(xù)不中斷。這些業(yè)務(wù)對氣象通信的穩(wěn)定性提出了要求。

在通信傳輸中，影響通信質(zhì)量的既有鏈路現(xiàn)狀、用戶終端、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等硬件因素，也有網(wǎng)絡(luò)運行協(xié)議、技術(shù)策略應(yīng)用等軟件原因。為了確保網(wǎng)絡(luò)傳輸穩(wěn)定，在硬件方面可以采取設(shè)備冗余備份、骨干鏈路捆綁、選用支持熱插拔的核心設(shè)備等措施；在網(wǎng)絡(luò)策略應(yīng)用等軟件方面需要體現(xiàn)快速故障發(fā)現(xiàn)能力、業(yè)務(wù)快速保護(hù)切換技術(shù)、路由協(xié)議的快速收斂等等。

為了保證一些氣象實時業(yè)務(wù)，在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生通信故障時，就要求網(wǎng)絡(luò)設(shè)備必須迅速檢測出故障，并在第一時間將業(yè)務(wù)傳輸切換至備份鏈路，以加快網(wǎng)絡(luò)路由的收斂速度。在進(jìn)行故障快速檢測中，既需要硬件設(shè)備的支持，同時也需要相關(guān)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和技術(shù)的應(yīng)用。在目前IP網(wǎng)絡(luò)中的慢hello機(jī)制的路由協(xié)議的檢測中，不能滿足氣象業(yè)務(wù)實時通信的要求。在武漢市氣象信息網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，采用了BFD（Bidirectional forwarding detection ， 雙向轉(zhuǎn)發(fā)檢測）技術(shù)來實現(xiàn)故障快速檢測與瞬時切換。

3 BFD在氣象信息網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

3.1 BFD技術(shù)簡介

BFD協(xié)議是一個通用的、標(biāo)準(zhǔn)化的快速故障檢測機(jī)制，與介質(zhì)無關(guān)，與協(xié)議無關(guān)，專注于故障快速檢測，且輕負(fù)荷，專注于轉(zhuǎn)發(fā)平面檢測，為上層控制協(xié)議提供檢測服務(wù)，自身不作為，無發(fā)現(xiàn)機(jī)制，由上層協(xié)議提供鄰居信息。

BFD在路由鄰居檢測中通過周期性發(fā)送檢測報文來判斷路由鄰居的連通性。如果本端設(shè)備在某個特定的時間內(nèi)未收到對端設(shè)備發(fā)送的檢測報文，系統(tǒng)就此判斷在由此及彼相鄰的雙向通道的某個部分發(fā)生了通信故障。為了降低系統(tǒng)運行的負(fù)荷，BFD在發(fā)送和接收檢測報文的速率需要進(jìn)行協(xié)商，也能根據(jù)需要適當(dāng)調(diào)整，來適應(yīng)整條鏈路中各類協(xié)議的不同要求。

BFD會話的觸發(fā)過程包括以下三步：一是上層協(xié)議發(fā)現(xiàn)鄰居，比如OSPF；二是上層協(xié)議通知BFD與鄰居建立會話；三是BFD與鄰居建立起會話。BFD建立會話分為主動模式和被動模式。BFD主動模式建立會話前，不管是否收到對端控制報文，本端都主動發(fā)送控制報文；被動模式建立對話前，本端不主動發(fā)送控制報文，直到收到對端發(fā)送來的控制報文。會話建立后，BFD協(xié)議實現(xiàn)雙向檢測機(jī)制，工作模式又分為異步模式和查詢模式。異步模式下，路由設(shè)備之間相互周期性地發(fā)送控制報文，本端設(shè)備在一定檢測時間內(nèi)沒有收到對端發(fā)來的控制報文，就宣布會話Down掉；查詢模式下，先假定每個設(shè)備確認(rèn)它連接到其他設(shè)備，建立BFD會話，停止發(fā)送控制報文，如果某個設(shè)備需要驗證連接性，則發(fā)送控制報文來查詢，如果未收到返回的控制報文就判斷為Down。

BFD在兩臺網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備上建立會話后，實時監(jiān)測鏈路中的雙向轉(zhuǎn)發(fā)路由，并為上層協(xié)議服務(wù)，比如OSPF。BFD不像OSPF那樣，它沒有發(fā)現(xiàn)機(jī)制，必須依賴上層協(xié)議通知建立會話，會話建立后根據(jù)報文返回的實際情況來判斷鏈路是否發(fā)生故障，并能在發(fā)生故障后及時通知上層協(xié)議，由上層協(xié)議采取行動。BFD在監(jiān)測到鏈路故障后，隨即拆除鄰居會話，并立即通知上層OSPF協(xié)議，OSPF則迅速進(jìn)行收斂處理，再次重新計算路由并選擇備用路徑。

BFD能夠快速檢測轉(zhuǎn)發(fā)故障，幫助網(wǎng)絡(luò)以良好的QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）實現(xiàn)氣象實時業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的高可靠性傳輸，大大提高氣象通信網(wǎng)絡(luò)的性能。

3.2 BFD技術(shù)應(yīng)用

3.2.1 OSPF

武漢市、區(qū)氣象網(wǎng)絡(luò)運行MPLS L3 VPN，市、區(qū)氣象局全部作為CE接入，湖北省氣象局作為武漢市氣象局的MSTP線路匯聚接入，武漢市局作為下轄各區(qū)氣象局MSTP線路匯聚接入。

根據(jù)湖北省氣象局統(tǒng)一規(guī)劃，在全省氣象業(yè)務(wù)寬帶網(wǎng)中，配置三個OSPF進(jìn)程，其中接入移動的MPLS VPN線路運行OSPF 10，電信MSTP線路運行OSPF 20，省、市、區(qū)氣象局域網(wǎng)運行OSPF 1。OSPF路由結(jié)構(gòu)如圖1。

在武漢市氣象局，將OSPF 10和OSPF 20的路由引入至OSPF 1；將OSPF 1的路由引入至OSPF 10和OSPF 20，引入時配置過濾策略，引入局域網(wǎng)的路由，同時將武漢市局下轄各區(qū)氣象局局域網(wǎng)路由進(jìn)行聚合后配置為下一跳為NULL 0，并分別引入至OSPF 10和20。武漢市氣象局?jǐn)?shù)據(jù)通信流程如圖2。

在武漢市氣象局的信息通信網(wǎng)關(guān)上H3C 6000上配置以下路由信息：

#

ospf 1 router-id 172.31.212.254

import-route static route-policy ShiJu-TO-OSPF1

import-route ospf 10

import-route ospf 20

preference 180

preference ase 190

area 0.0.7.220

network 10.108.64.0 0.0.0.255

network 10.108.67.0 0.0.0.127

……

#

ospf 10 router-id 172.31.212.254

import-route direct route-policy Direct_to_OSPF10/20

import-route static route-policy S-TO-OSPF

area 0.0.0.0

network 172.31.75.44 0.0.0.3

network 172.31.101.180 0.0.0.3

#

ospf 20 router-id 172.31.212.254

import-route direct route-policy Direct_to_OSPF10/20

import-route static route-policy S-TO-OSPF

preference ase 170

area 0.0.0.0

network 172.31.72.44 0.0.0.3

#

……

ip route-static 10.108.64.0 21 10.108.67.2 tag 1000

ip route-static 10.108.96.0 22 NULL0 tag 2000 description JiangXia

ip route-static 10.108.100.0 22 NULL0 tag 2000 description XinZhou

……

ip route-static 172.20.48.0 24 10.108.67.2 tag 1000

……

#

在各區(qū)氣象局，將OSPF 10和OSPF 20的路由引入至OSPF 1；將OSPF 1的路由引入至OSPF 10和OSPF 20，引入時必須配置過濾策略，只引入局域網(wǎng)的路由。

在各區(qū)氣象局核心信息通信網(wǎng)關(guān)H3C 3000s配置以下命令：

#

ospf 1

import-route ospf 10

preference 180

preference ase 190

area 0.0.7.220

network 10.108.120.0 0.0.3.255

network 192.168.176.36 0.0.0.3

#

ospf 10

import-route direct route-policy Direct_to_OSPF10

area 0.0.0.0

network 172.31.101.204 0.0.0.3

……

3.2.2 路由收斂

在武漢市氣象局與湖北省氣象局的業(yè)務(wù)通信中，采用MSTP線路作為主用線路，當(dāng)其出現(xiàn)故障后，路由器無法及時偵測到故障，原來配置運行在該線路上的靜態(tài)路由不能立即失效，因此導(dǎo)致ip路由不能盡快切換到備份線路上，運行在MSTP線路的業(yè)務(wù)將出現(xiàn)中斷，這對一些實時業(yè)務(wù)，包括音視頻類業(yè)務(wù)產(chǎn)生較大影響。

引入BFD，采用BFD與靜態(tài)路由聯(lián)動來解決上述問題。在MSTP線路兩端配置BFD后，BFD周期發(fā)送控制包，實時檢測鏈路情況，如出現(xiàn)故障在極短時間內(nèi)（毫秒級）會被偵測到，BFD將會立即通知上層路由系統(tǒng)，將與之聯(lián)動的那條靜態(tài)路由立即失效，路由也隨之切換至另外備份鏈路。

以下以配置在武漢市局信息通信網(wǎng)關(guān)H3C 6000上的命令為例，BFD檢測從IP 172.31.72.45（位于湖北省氣象局）到IP 172.31.72.46（位于武漢市氣象局）的這一段光路，在鏈路故障時，立即斷開到目標(biāo)地址10.104.28.0/24（Lotus Notes辦公系統(tǒng)）的靜態(tài)路由，交由上層路由系統(tǒng)切換到備份鏈路。

#

……

ip route-static 10.104.28.0 24 172.31.72.45 bfd control-packet bfd-source 172.31.72.46

……

3.2.3 切換測試

測試了BFD與靜態(tài)路由聯(lián)動的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在未配置BFD的情況下，在通信鏈路故障時，原先配置的靜態(tài)路由不可達(dá)，但又不能立即失效，因此反映為請求超時，直至重新更新路由為止，如圖3。圖4所示情形為配置了BFD的時候，通信鏈路故障，先前配置的靜態(tài)路由立即失效，BFD通知上層路由立即更新路由，切換至備份鏈路，在數(shù)據(jù)包的傳輸上只是表現(xiàn)出了時延，但是未丟包。本文的試驗只是作了一個初步的測試，未做精確的延時測試。

3.3 應(yīng)用討論

通信鏈路常見的故障檢測機(jī)制一是通過硬件檢測信號來實現(xiàn)，例如通過SDH告警信息檢測發(fā)現(xiàn)，效率較高，但是并非支持所有設(shè)備；二是依靠上層協(xié)議的HELLO報文機(jī)制進(jìn)行檢測，但是效率較低，對于實時性業(yè)務(wù)傳輸不適用。

采用BFD技術(shù)能有效實現(xiàn)，且不過分依賴硬件系統(tǒng)。尤其采用BFD與OSPF相結(jié)合，交互工作，效果更好。OSPF通過HELLO機(jī)制發(fā)現(xiàn)鄰居并建立連接，然后將鄰居的參數(shù)及檢測參數(shù)都通告給BFD，BFD根據(jù)收到的參數(shù)并建立鄰居。在故障發(fā)生時，通過BFD的快速檢測，回告OSPF后OSPF重新發(fā)現(xiàn)鄰居并刷新路由表，BFD能大大縮小路由收斂時間。當(dāng)然BFD協(xié)議故障檢測發(fā)現(xiàn)機(jī)制也在一定程度上增加了設(shè)備負(fù)擔(dān)和管理開銷，尤其是在網(wǎng)絡(luò)中存在多種路由協(xié)議時，需要采用多個BFD進(jìn)行檢測，網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)進(jìn)一步增加。因此在整條鏈路的設(shè)計中，BFD的工作效率與設(shè)備處理能力需要進(jìn)行權(quán)衡。

4 結(jié)束語

武漢市氣象信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，在OSPF動態(tài)路由的基礎(chǔ)上，引入BFD技術(shù)，實現(xiàn)了路由的快速收斂與瞬時切換，確保了信息傳輸?shù)倪B續(xù)。BFD在氣象信息網(wǎng)絡(luò)通信傳輸中與OSPF以及其他上層協(xié)議結(jié)合應(yīng)用能明顯提高氣象信息網(wǎng)絡(luò)的可靠性，在應(yīng)對故障處理時效率更高。雖然BFD在周期性發(fā)送檢測包會對設(shè)備造成一定的負(fù)荷，但是在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備處理能力日漸強(qiáng)大的情形下，仍不失為一種較好地快速解決通信故障的方式。

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