利用交換機虛擬化技術(shù)提升廣播電視無線發(fā)射臺站IP信源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性

（廣西廣播電視技術(shù)中心崇左分中心）

一、引言

隨著社會的發(fā)展和時代的進步，人民群眾對精神文化和信息資訊的需求越來越多，對數(shù)字電視播出質(zhì)量的要求也越來越高，廣西部分廣播電視無線發(fā)射臺站的IP信源系統(tǒng)也因此采用了雙信源交換機和雙IP復用器的硬件互備方案，能有效減少因單節(jié)點故障造成的停播，但主備信源設(shè)備獨立運行，冗余度不高、可靠性差。而由于使用傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的原因，即便增加鏈路提高冗余度和可靠性，也會因此提升IP信源系統(tǒng)的復雜度。因此，運用新技術(shù)改變原有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)確保冗余度的前提下提升系統(tǒng)可靠性、簡化運維管理的需求日漸凸顯。

二、傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的缺陷

為了便于理解網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)和直觀地分析某些故障對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)造成的影響，本文僅針對有IP光纖信源但無數(shù)字微波信源的臺站進行分析和說明。IP信源系統(tǒng)的核心是三層交換機，用于接收由光纖傳輸至臺站的IP組播節(jié)目碼流并送至IP復用器，由IP復用器解出組播中的節(jié)目信息再重新打包分配至各數(shù)字電視發(fā)射機。IP信源系統(tǒng)的兩臺三層交換機以傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行部署，存在以下缺點：

（一）設(shè)備利用率低

主備信源設(shè)備獨立運行，若主用光纖信號中斷或主用三層交換機用于接收組播的光模塊出現(xiàn)故障，主用IP復器將接收不到IP組播信號而被迫處于閑置狀態(tài)，系統(tǒng)冗余度低，設(shè)備利用率不高，如圖1所示。

（二）增加系統(tǒng)復雜度和運維難度

圖2 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)增加系統(tǒng)復雜度

為了解決上述問題，提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的冗余度,增加冗余備份鏈路將雙交換機與雙IP復用器兩兩互聯(lián),起到冗余備份作用。而采用傳統(tǒng)構(gòu)架的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)此時須配置VRRP和STP協(xié)議，阻斷一半鏈路以確保不會因環(huán)路產(chǎn)生而導致整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)崩潰，由此增加了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的復雜度。而正常情況下其中一臺交換機必定處于閑置狀態(tài)，如圖2所示。

且兩交換機須各自運行不同的配置文件，每臺設(shè)備需要單獨進行配置和管理，增加了運維難度。

（三）出現(xiàn)故障時網(wǎng)絡(luò)收斂慢

主用光纖鏈路或主用三層交換機出現(xiàn)故障時，VRRP協(xié)議啟用備用交換機進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，但因拓撲發(fā)生變化導致STP協(xié)議需要60秒左右的時間重新計算生成樹以恢復此前阻斷的鏈路，即便使用快速生成樹協(xié)議，也存在30秒左右的鏈路倒換過程造成節(jié)目中斷，用戶體驗不佳。

三、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬化架構(gòu)的優(yōu)勢

IRF是H3C公司自主研發(fā)的第二代智能彈性架構(gòu)，是一種新型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬化技術(shù)，將多臺設(shè)備連接在一起，虛擬化為一臺邏輯上統(tǒng)一的設(shè)備，主要目的是集合多臺設(shè)備的硬件資源和軟件處理能力，實現(xiàn)協(xié)同工作并進行統(tǒng)一管理[1]。下面將結(jié)合實際，分析IRF架構(gòu)的優(yōu)勢。

（一）有效提升設(shè)備可用性

以尚未增加冗余鏈路的IP信源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，只需在兩臺交換機上分別增加一個萬兆光模塊并使用光纖跳線連接，進行必要的IRF配置即可形成一個最簡單的IRF架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。雖然IRF架構(gòu)中兩臺交換機也區(qū)分主設(shè)備和從設(shè)備，主設(shè)備負責IRF架構(gòu)的運行和管理，但主從設(shè)備均同時進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等業(yè)務處理，兩臺交換機可視為同一臺交換機上的兩塊不同業(yè)務板卡。依舊以主路光纖信源中斷為例，此時主備光纖信源所對應的兩個光口已等同為一臺交換機上的兩個接口，備用信源的組播信號仍可正常傳輸至主用IP復用器，如圖3所示。

圖3 IRF虛擬化架構(gòu)提升設(shè)備可用性

（二）不增加網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)復雜度的同時提升可靠性

同樣在此基礎(chǔ)上增加冗余鏈路，此時任意一臺IP復用器的兩個網(wǎng)口均正常接收來至主用和備用光纖鏈路的IP組播，有效提升了鏈路利用率。若其中一臺交換機出現(xiàn)故障不能正常運行，IRF架構(gòu)迅速分裂使另一臺交換機獨立運行，此時兩臺IP復用器仍可接收到一路光纖信源組播節(jié)目信號，如圖4所示，這個分裂過程十分短暫不會造成太大的網(wǎng)絡(luò)延遲，提升了IP信源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)備級可靠性。

圖4 IRF架構(gòu)提升網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性

（三）降低運維難度

IRF虛擬化架構(gòu)僅需增加一對萬兆光模塊以及若干互聯(lián)用的光纖跳線和網(wǎng)線即可部署，在工業(yè)水平高度發(fā)展的今天，這項成本十分低廉。IRF虛擬化技術(shù)將兩臺或多臺交換機在邏輯上形成一臺核心交換設(shè)備，僅運行一份配置文件，可進行統(tǒng)一管理，降低了維護難度。

四、IRF虛擬化技術(shù)在廣播電視無線發(fā)射臺站的應用

下面將以廣西某地的廣播電視無線發(fā)射臺站為例，闡述IRF虛擬化架構(gòu)在IP信源系統(tǒng)上的部署。

（一）設(shè)備的物理連接

以使用兩臺H3C LS-5560-34C-EI交換機作主備信源三層交換機為例，依照圖5進行設(shè)備的物理連接，將一對萬兆光模塊分別插入兩臺交換機的閑置SFP+光口并使用光纖跳線連接作為IRF link，該鏈路是形成虛擬化架構(gòu)的關(guān)鍵。使用網(wǎng)線完成交換機與IP復用器的全連接。

圖5 部署IRF之設(shè)備物理連接

（二）配置IRF

1.配置交換機A

手動關(guān)閉即將作為IRF鏈路接口的光口，配置其成為IRF 1/1接口后恢復啟用該光口，并使用“irf-portconfiguration active”命令激活I(lǐng)RF配置使之生效。

2.配置交換機B

修改交換機B的IRF成員編號為“2”并重啟，重啟完成后交換機的各接口編號由“1/0/x”變更為“2/0/x”，參照交換機A的配置方法完成交換機B的IRF鏈路配置并激活生效。

3.確立設(shè)備角色

進行上述配置后，兩臺交換機自動進行角色競選，競選成功的成為主設(shè)備，負責管理維護整個IRF架構(gòu)以及進行流量轉(zhuǎn)發(fā)等職能，競選失敗則為從設(shè)備僅負責流量轉(zhuǎn)發(fā)。

4.鏈路聚合配置

為防止環(huán)路產(chǎn)生，須對兩條光纖信源鏈路進行配置，使之成為一條動態(tài)聚合鏈路，同時工作又能相互備份。

5.IRF狀態(tài)檢測機制

LACP MAD檢測機制主要作用是一旦因IRF link故障發(fā)生IRF分裂，可觸發(fā)一個機制及時阻斷一些鏈路避免形成環(huán)路引發(fā)廣播風暴?？蓪膳_三層交換機連接至路由交換機的兩條鏈路作為LACP MAD檢測鏈路，配置為動態(tài)聚合鏈路并啟用MAD功能即可。

6. IP復用器配置

分別配置兩臺IP復用器，打開主千兆網(wǎng)卡組1（網(wǎng)口1-網(wǎng)口3）備份開關(guān)，備份模式選擇“主路優(yōu)先”，切換條件選擇“有效碼率為0”。目的是將IP復用器的網(wǎng)口3作為網(wǎng)口1的鏡像備份接口，當網(wǎng)口1無有效節(jié)目碼流時自動切換網(wǎng)口3接收碼流恢復節(jié)目輸出。

五、 IRF可靠性測試

（一）IRF可靠性測試方案

通過人為干預設(shè)備及其接口的通斷，模擬實際運行過程中可能出現(xiàn)的光纖鏈路中斷、光模塊故障和交換機斷電等故障[2]，并使用碼流分析儀檢測節(jié)目碼流恢復正常所需的時長，以驗證IP信源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性。使用信號線將主用IP復用器的ASI輸出接口連接至碼流分析儀，進行如下測試并記錄節(jié)目信號的中斷時長：

1.光纖信源鏈路中斷測試：拔出一路光纖信源接口模塊上的光纖跳線。

2.交換機斷電測試：拔出一臺交換機電源模塊上的電源線。

（二）可靠性測試結(jié)果

經(jīng)過多次重復測試，任何一路光纖鏈路中斷并不會對IP復用器的輸出造成絲毫影響，節(jié)目畫面始終流暢；即便是一臺交換機斷電的極端的情況下，信號源僅中斷1.7秒，在數(shù)字電視發(fā)射機的激勵器還未作出切換動作時，節(jié)目信號就已經(jīng)恢復正常，有效提升觀眾的收看體驗。交換機斷電后信源中斷時長如圖6所示，點線圖中間平直的部分表明節(jié)目信號中斷，每小格表示100毫秒。

此時依然保持主備IP復用器的冗余備份，有效提高了設(shè)備的可用性和系統(tǒng)的可靠性。而在原網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上進行如上測試時，則發(fā)射機端不可避免地發(fā)生激勵器的切換動作，造成電視畫面長時間黑屏。

圖6 交換機斷電測試信源中斷時長

六、 結(jié)語

將交換機虛擬化技術(shù)應用于廣播電視無線發(fā)射臺站IP信源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可有效降低因單路光纖鏈路或單臺設(shè)備故障造成的組播節(jié)目信號中斷時長，大幅度提升了臺站IP信源系統(tǒng)的可靠性，有效提高了數(shù)字電視節(jié)目的安全播出保障能力。本文僅簡單測試了IRF的鏈路級和設(shè)備級可靠性，意在拋磚引玉，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬化技術(shù)的諸多優(yōu)勢值得我們繼續(xù)深入發(fā)掘和推廣。