構建高可用性網絡

摘要:隨著網絡的快速普及，網絡承載了大量的應用，對可靠性的要求越來越高。需要充分使用設備冗余，軟件恢復和備份，故障恢復機制等解決措施，提高網絡的可靠性。

關鍵詞:MTBF(平均故障間隔時間);MTTR(平均故障恢復時間);RP(路由處理器);RPR(彈性分組環);VRRP(虛擬路由冗余協議)

中圖分類號:TP393文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)33-9175-02

Building High Availability Netword

SUN Qi

(Southeast University，Nanjing 211189， China)

Abstract: The technical requirements for high availablity network services grows as the applications running over global networks continually growing. Designing highly available networks requires appropriate balance of component redundancy， software switchover and redundancy， error detection.

Key words: MTBF(Mean Time Between Failure); MTTR(Mean Time To Restoration); RP(Router Processor); RPR(Resilient Packet Ring); VRRP(Virtual Router Redundancy Protocol)

1 網絡應用的現狀

隨著網絡的快速普及和應用的日益深入，各種關鍵業務和增值業務在網絡上解決方案得到了廣泛部署，網絡帶寬也以指數級增長，對可靠性的需求也越來越高，尤其是在各種運營商網絡、商業經營網絡和管理控制網絡中，需求顯得更為突出。網絡短時間的中斷就可能影響大量業務，造成重大損失。作為業務承載主體的網絡高可用性(High Availability， HA)日益成為關注的焦點。從運營商到大中型企業客戶，在構建網絡時，99.999%的電信級已經成為解決方案基本需求之一。

2 網絡可用性的度量

定義一個網絡設備的可用性或正常運行時間的方法有幾種。“可用性”是指一個路由器實際處理和轉發數據包的時間百分比。因此，一個系統的可用性可以表達為網絡的平均故障間隔時間(MTBF)和它的平均故障恢復時間(MTTR)。計算公式如下:

可用性=(MTBF×100)/(MTBF+MTTR)(%)

如表1，從公式中可以看出，要提高網絡的可靠性，需要提高網絡的平均故障間隔時間和縮短平均故障恢復時間。

3 在網絡建設中，需要全方位多角度的對網絡可靠性給予充分保障

1) 硬件設備的可靠性:要提高設備的可靠性需要選用合適的硬件以及將備份的硬件部件構建到系統中去。[1]

(1) 雙路由處理器:RP是路由器的大腦。它計算路由和轉發表，并將最佳路徑信息發送給對等路由器。采用雙RP可以極大的縮短系統的故障恢復時間。

(2) 硬件系統架構:路由器的硬件架構選擇將對系統的潛在可用性產生影響。最主要的路由器架構有集中式架構和分布式架構。

在集中式架構系統中，數據包處理和轉發工作在一個中央共享RP中執行，各網絡接口線路板相對簡單(見圖1)。如果中央RP發生故障，所有的路由和數據包轉發都會停止，對整個系統的影響很大。在這種架構中，雙RP設計變得非常關鍵。

在分布式架構系統中，數據包轉發能力被置于每塊線路板中(見圖2)。將轉發引擎從中央RP轉移到每塊線路板降低了RP故障的影響，因為在RP故障期間線路板仍可繼續轉發數據包。

(3) 冗余供電、線路板、風扇和機架都對降低MTTR具有關鍵意義。此外，將這些部件設計成能夠熱插拔可以極大地提高正常運行時間，而且使得工作中的系統不必關機就可以直接更換部件。

2) 軟件的可靠性，在設計高可用性軟件中有幾個關鍵目標。

(1) 將軟件故障的影響降到最低

降低軟件故障影響的一種方法是只重啟發生故障的那個軟件進程，而不是重啟整個系統。這必須在保留路由、轉發表和會話的情況下完成。

另外要將軟件故障的影響限制在路由器本身，防止對網絡的其他部分產生更廣泛的影響。為了實現這個目標，路由器必須運行被激活RP和備份RP并讓它們的信息保持同步。需要注意的是:在何種程度上讓處于工作狀態的RP和備份RP保持其全部信息，并如何同步是一個關鍵性的設計考慮。其決策反映了在系統恢復速度和成本之間的一個平衡折中?？晒┻x擇的方案有冷、暖和熱待機備份系統。[2]

a 冷備份方案中，處于工作狀態的RP和備份RP之間不共享任何狀態信息，軟件故障將導致完全的復位，備份RP自動接替發生故障的處于工作狀態的RP，但是必須從頭開始建立自己的路由表。此外，所有的線路板也將進行復位。這種方案下發生的是徹底的用戶停機。不過，與沒有備份RP時相比MTTR仍然較低，因為系統可以自動開始恢復，無需維修或更換路由器。

b 暖備份方案中，路由器配置和軟件鏡像都已經載入了備份RP。當備份RP必須重建其路由表信息時，由于跳過了配置和鏡像重載步驟，因此降低了MTTR。

c 熱備份方案中，備份RP加載了路由器配置、軟件鏡像和網絡狀態信息，而且還由處于工作狀態的RP對其進行連續更新。同步的狀態信息對應于所用的協議，這樣當處于工作狀態的軟件或硬件RP發生故障時，備份處理器就可以接替和恢復系統而不造成任何服務損失。 處于工作狀態的RP和備份RP之間的同步率決定了備份處理器在任意時刻的更新程度，從而也決定了系統的恢復速度。處理器同步次數越多，失配的可能性就越小。不過，頻繁同步增加了系統資源的消耗。這可能會影響路由器的吞吐性能，或者需要在系統中增加額外的處理能力。

(2) 對軟件故障進行迅速檢測和恢復。[3]

對實際硬件和軟件故障的檢測必須迅速進行以便使系統得以及時恢復。具體時間長短取決于系統的設計。

3) 將系統恢復時新會話的阻塞間降到最短。

在RP發生故障(包括硬件故障或軟件故障)的情況下，設備的恢復將需要花費一些時間。包括將新的軟件鏡像加載到備份RP、加載配置、對其初始化、取得Layer 2連接和Layer 3路由協議以及重建路由表。

4 節點和鏈路的可靠性

鏈路失效也是影響網絡可靠性的一個重要因素，為此需要實現以下幾個目標。

1) 提供備份鏈路[4]

可以提供1+1備份或者N+1備份，1+1的備份方案雖然方案比較昂貴，但可以提供比N+1更高的可用性。

進行鏈路備份同樣需要軟件提供相應的支持。

(1) TRUNK，TRUNK是端口匯聚的意思，就是通過配置軟件的設置，將2個或多個物理端口組合在一起成為一條邏輯的路徑從而增加在交換機和網絡節點之間的帶寬，同時如果一條物理端口。

(2) VRRP(Virtual Router Redundancy Protocol)，VRRP可以創建一個具有虛擬MAC地址和虛擬IP地址的虛擬路由器，VRRP可以在工作站的缺省網關失效時提供一個備份路由器(見圖3)。

(3) RPR(Resilient Packet Ring)，快速的環保護倒換(50ms)功能。與SDH中的物理層環保護倒換不同， RPR采用2層的環保護倒換(見圖4)， 其具體實現時可分為類似于MS-Spring的環回方式(Wrap)，以及源節點切換的轉向方式(steering)。這兩種倒換方式均有其優缺點，前者簡單(僅涉及故障端兩端的節點切換)，數據包丟失少，但帶寬占用多，后者則反之。

(4) FRR(fast reroute) 技術，提供快速保護倒換能力。

當一條LSP出現問題，不能正常傳輸信令和數據，這時候就將信令與數據轉移到事先已經建立好的另外一條路徑上去，以保證業務不會中斷?？梢赃@樣理解FRR是一種保護措施。在FRR中有三種不同類型的保護方案，一種是路徑保護，也稱為端到端保護，這種方式是通過和現在的LSP并行建立額外一條LSP，這條LSP只會在發生失效時使用。另外一種為局部保護，或稱為本地保護，即備份LSP只對原LSP的一部分進行保護。最后一種是針對LSP中的結點進行保護，這種稱為結點保護。根據具體應用不同，可以分為LDP FRR， TE FRR，VPN FRR。

2) 節點和鏈路故障的迅速檢測和切換。[5]

1) BFD(Bidirectional Forwarding Detection )，BFD是從基礎傳輸技術中經過逐步發展而來的，因此它可以檢測網絡各層的故障。它可以用于檢測以太網、多協議標記交換(MPLS)路徑、普通路由封裝以及IPSec隧道在內的多種類型的傳輸正確性。

2) OAM(Operation Administration and Maintenance)，通過定期查詢的方式檢測網絡故障，將故障信息傳遞給管理實體，并且可以進行性能監控，根據這些信息評估網絡的穩定性。根據運行鏈路的不同，有ETH oam，mpls oam，atm oam 等。

5 結束語

在做網絡規劃時，需要充分應用上面的各項技術。保證關鍵設備雙歸屬，重要鏈路聚合，重要設備冗余部署，流量路徑合理規劃。

參考文獻:

[1] 網絡高可用性技術白皮書，華為3com技術有限公司.

[2] Build High Availability into Your IP Network，CommsDesign.

[3] Get high availability using effective fault management，CommsDesign.

[4] Optimizing RTOSes for HA architectures，CommsDesign.

[5] Enterprise NetworkDesign Patterns:High Availability.SUN.