雙交換機冗余網(wǎng)絡(luò)智能切換的設(shè)計及應(yīng)用

劉新華（上海貝爾股份有限公司 WLPD，上海 201206）

1 引言

重要的通信與控制設(shè)備，其穩(wěn)定性對于整個系統(tǒng)的穩(wěn)定與業(yè)務(wù)至關(guān)重要。因此，為了確保這些重要設(shè)備的穩(wěn)定運行，通常在其內(nèi)部使用了備份和冗余網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的一部分出現(xiàn)故障時，要求系統(tǒng)能迅速診斷并快速切換到備份和冗余的網(wǎng)絡(luò)，從而降低故障對系統(tǒng)的影響，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

在備份和冗余網(wǎng)絡(luò)中，通常采用的冗余方式是冗余鏈路 + 生成樹協(xié)議（如STP/RSTP）。在這種方式下，網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時的冗余切換速度取決于所使用的生成樹協(xié)議的收斂時間，在實時性要求很高的情況下會使其應(yīng)用受到一定的限制，同時，這種方式配置比較復(fù)雜，而且對交換機需要支持的協(xié)議也提出了要求。

本文針對一種平面獨立的內(nèi)部雙交換機冗余網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了一種實用的不依賴生成樹協(xié)議（如STP/RSTP）的快速智能冗余切換的方法，網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，與“冗余鏈路 + 生成樹協(xié)議（如STP/RSTP）”方法相比，冗余切換速度明顯提升，實驗室及現(xiàn)場應(yīng)用驗證了該方法的有效性。

2 一種平面獨立的雙交換機冗余網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1是某一核心通信設(shè)備內(nèi)部的雙交換機冗余網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如圖1所示，設(shè)備中有多個控制單元（Control Element，CE），每一個控制單位都相當(dāng)于一臺電腦，通過eth0和eth1分別連接到兩個交換機SWITCH-A和SWITCH-B，組成了兩個互為備份的網(wǎng)絡(luò)交換平面。由于SWITCH-A和SWITCH-B之間沒有網(wǎng)絡(luò)連接，因此，這兩個交換機雖互為備份但彼此獨立，避免了對生產(chǎn)樹協(xié)議的要求。通過在各個CE上添加不同的網(wǎng)絡(luò)路由（route），可以實現(xiàn)在兩個交換平面之間靈活切換。

圖1 某一核心通信設(shè)備內(nèi)部的雙交換機冗余網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由于是在設(shè)備內(nèi)部，每個交換機端口所對應(yīng)CE的內(nèi)部ip和內(nèi)部mac地址都可以預(yù)先定義，如表1所示。

表1 CEi的網(wǎng)絡(luò)端口、IP、Mac-address對照表（假設(shè)）CEi

默認(rèn)情況下，每個CE都通過SWITCH-A相互聯(lián)系，或通過SWITCH-A和CEn與外部網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系。默認(rèn)路由（route）如表2、表3所示。

表2 CEi（i≠n）的默認(rèn)路由表CEi（i≠n）

表3 CEn的默認(rèn)路由表CEn

2 網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時的冗余切換

當(dāng)某個CE的網(wǎng)絡(luò)接口（eth0或eth1），或者某個SWITCH（SWITCH-A或SWITCH-B）出現(xiàn)故障時，可以通過更新每個CE的內(nèi)部路由（route），切換到冗余一側(cè)的交換機上，使系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)保持暢通。

（1）交換機的某個端口故障

（假設(shè)）CEi的eth0對應(yīng)的交換機端口出現(xiàn)故障，如圖2所示：

圖2 CEi 的eth0出現(xiàn)故障示意圖

為保持網(wǎng)絡(luò)暢通，需要使CEi上針對eth0的路由（route）全部切換到另一側(cè)的交換機上；同時，還需要使其它CE通過eth0到CEi的路由（route）切換到另一側(cè)的交換機上。

對應(yīng)的路由（route）更新如下：

（a）CEi

（b）CEj（j≠i）

如果CEi的eth1對應(yīng)的交換機端口出現(xiàn)故障，每個CE的route也要做類似的切換更新。

（2）整個交換機故障

如果某個交換機出現(xiàn)故障，為保持網(wǎng)絡(luò)暢通，需要使每個CE針對該交換機的路由全部切換到另一側(cè)的交換機上。

假設(shè)SWITCH-A出現(xiàn)故障，為保持網(wǎng)絡(luò)暢通，需要使每個CE上針對eth0的路由（route）全部切換到eth1上。對應(yīng)的路由（route）更新如下：

如果SWITCH-B出現(xiàn)故障，每個CE的route也要做類似的切換更新。

3 網(wǎng)絡(luò)故障的自動檢測

對于交換機端口或者整個交換機的故障，都表現(xiàn)為某些CE（一個或多個CE）的網(wǎng)絡(luò)端口出現(xiàn)故障，因此，都可以通過檢查各個CE的網(wǎng)絡(luò)端口狀態(tài)檢查出來。

3.1 網(wǎng)絡(luò)端口狀態(tài)的檢測方式

圖3 CEi的檢測點示意圖

如圖3所示，設(shè)備中的每一個CE（CEi）針對其對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)端口（eth0或eth1），都任意選擇其它3個CE（CEi1，CEi2，CEi3）作為檢測點。在針對網(wǎng)絡(luò)端口的每一個檢測周期中，CEi依次向每個檢測點直接發(fā)送以太網(wǎng)mac包（check包）；收到check包的CE將向發(fā)送方回復(fù)確認(rèn)ack包。

3.2 檢測步驟與決斷策略

如圖4所示：

① CEi向第一個檢測點CEi1發(fā)check包；

② 等待CEi1的ack包，如果收到，說明端口正常，結(jié)束本次檢測；

③ 等待超時，CEi向第二個檢測點CEi2發(fā)check包；

④ 等待CEi2的ack包，如果收到，說明端口正常，結(jié)束本次檢測；

⑤ 等待超時，CEi向第二個檢測點CEi3發(fā)check包；

⑥ 等待CEi3的ack包，如果收到，說明端口正常，結(jié)束本次檢測；

⑦ 等待超時，CEi向該端口（eth0或eth1）廣播一個check包，其它CE收到之后都會向CEi發(fā)ack包；

⑧ 等待可能的ack包，如果收到，說明端口正常，用新收到的ip/mac地址更新檢測點（CEi1，CEi2，CEi3），結(jié)束本次檢測；

⑨ 等待超時，CEi的該端口上不能收到任何ack包，則檢查另一側(cè)端口的狀態(tài)：如果另一側(cè)端口異常，說明CEi在兩側(cè)都不能收到任何ack包，判斷CEi處于孤立運行狀態(tài)，因此不需要做route更新；如果另一側(cè)端口正常，判斷本側(cè)端口故障，觸發(fā)每一個CE上的route更新。

圖4 網(wǎng)絡(luò)端口檢測步驟示意圖

3.3 檢測周期與響應(yīng)時間

圖5 網(wǎng)絡(luò)端口的檢測周期與檢測步驟示意圖（示例）

采用圖5所示的檢測步驟與檢測周期（示例），網(wǎng)絡(luò)端口狀態(tài)的最長檢測周期為 T = 4×t1+t2。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)端口故障時，最長在時間T內(nèi)可以檢出網(wǎng)絡(luò)故障。

選擇合適的t1和t2，能使系統(tǒng)在盡可能短的時間內(nèi)檢測出交換機網(wǎng)絡(luò)故障，并做出相應(yīng)的保護(hù)性冗余切換。

當(dāng)t1= 20ms，t2= 100ms時，T = 4×t1+t2= 180ms；

當(dāng)t1= 10ms，t2= 50ms時，T = 4×t1+t2= 90ms。

3.4 檢測行為對網(wǎng)絡(luò)的影響

在每一個檢測周期中，

當(dāng)所有網(wǎng)絡(luò)端口正常時，每一個CE會收發(fā)2個mac包（1個check包，1個ack包），一共是 2n個mac包；

當(dāng)某個網(wǎng)絡(luò)端口異常時，該端口對應(yīng)的CE最多收發(fā)不超過n個包（4個check包，最多n-4個ack包），其它CE每一個最多收發(fā)不超過3個包（2個check包，1個ack包），一共最大不超過 4n 個包；

當(dāng)某個交換機故障時，每一個CE會收發(fā)4個包（4個check包，0個ack包），由于該交換機已經(jīng)不能轉(zhuǎn)發(fā)包，因此沒有真正增加網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷。

當(dāng) 時，由網(wǎng)絡(luò)檢測引入的mac包的數(shù)量是非常小的。

4 應(yīng)用

該策略針對設(shè)備內(nèi)部的平面獨立的雙交換機冗余網(wǎng)絡(luò)，可以檢測每一個網(wǎng)絡(luò)端口的狀態(tài)，在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障的時候能迅速檢測出來并自動作冗余切換，而且對交換機所支持的協(xié)議沒有特殊的要求，對設(shè)備內(nèi)部每個CE所支持的協(xié)議也沒有特殊的要求，因而適應(yīng)性較強。通過選擇合適的檢測周期，可以使冗余切換時間限制在100ms~200ms以下，甚至更短。與“冗余鏈路 + 生成樹協(xié)議（如STP/RSTP）”的冗余方式相比，該策略的冗余切換速度更快，而且不需要對交換機做額外的配置。

在某一款電信核心設(shè)備中采用了該策略后，經(jīng)過實驗室和現(xiàn)場的雙重驗證，當(dāng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，實際冗余切換時間小于100ms，有效保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

本文針對“冗余鏈路 + 生成樹協(xié)議”的網(wǎng)絡(luò)冗余方式中冗余切換速度依賴所使用的生成樹協(xié)議的收斂時間、造成實時性不高，而且配置復(fù)雜的問題，設(shè)計了不依賴生成樹協(xié)議（如STP/RSTP）的快速智能冗余切換的方法，提升了冗余切換速度，同時簡化了網(wǎng)絡(luò)配置。

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