基于VRRP特性增強技術(shù)的氣象數(shù)據(jù)/視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

施蔚然 高 攀 楊志勇 朱添福

基于VRRP特性增強技術(shù)的氣象數(shù)據(jù)/視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

施蔚然 高 攀 楊志勇 朱添福

福建省氣象信息中心

通過分析全省氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)對骨干通信網(wǎng)絡(luò)的需求，針對存在的問題，于2011年底到2012年初實現(xiàn)省-地、地-縣骨干網(wǎng)的優(yōu)化和升級。利用VRRP特性增強技術(shù)，實現(xiàn)鏈路的快速檢測和VRRP的快速切換，從而提高氣象骨干網(wǎng)數(shù)據(jù)/視頻傳輸及時性和可靠性。

VRRP 數(shù)據(jù) 視頻 網(wǎng)絡(luò) 通信

隨著各類氣象業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展以及對氣象數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)及時性和可靠性要求的不斷提高，優(yōu)化升級省-地、地-縣的骨干通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)雙鏈路雙路由架構(gòu)，可以提高系統(tǒng)容錯能力和故障恢復(fù)速度，能夠較好地滿足客戶對網(wǎng)絡(luò)帶寬和連通性的需求，提高全省氣象通信骨干網(wǎng)的可靠性和可及時性，基本滿足未來一段時間對數(shù)據(jù)傳輸、資料共享、監(jiān)測預(yù)警、高清視頻會商、遠(yuǎn)程培訓(xùn)、管理信息傳輸?shù)榷鄻踊男枨螅瑸槭　⑹小⒖h三級氣象信息共享應(yīng)用、高清視頻天氣會商提供有力支撐。

1 骨干網(wǎng)系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在的問題

福建省氣象寬帶骨干網(wǎng)系統(tǒng)包括一個省中心，九個地市及地市所轄的61個縣級氣象局、16個觀測場、4個雷達站，經(jīng)過多年的建設(shè)和發(fā)展，在氣象業(yè)務(wù)傳輸中發(fā)揮著越來越重要的作用，但還需要不斷完善。2011年底全省（省到市、市到縣）氣象通信骨干通信網(wǎng)優(yōu)化升級前，在省中心兩臺核心交換機間通過10GE端口互連，采用VRRP配置，實現(xiàn)核心交換機的冗余熱備。核心、匯聚路由器的下聯(lián)均采用點到點的鏈接模式，設(shè)備端口需求大，連線復(fù)雜；省－市骨干網(wǎng)采用兩條4M SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步數(shù)字體系），兩條8M基于MPLS（multi-protocollabelswitch，多協(xié)議鏈路交換）技術(shù)的VPN（Virtual Private Network，虛擬專用網(wǎng)絡(luò)）線路和一臺匯聚路由器組網(wǎng)，每兩條鏈路分別連接到兩臺核心路由器；市－縣采用一條SDH 2M鏈路和一臺接入路由器組網(wǎng)。

骨干網(wǎng)中的地市/縣級采用單路由器接入，存在單點故障的隱患；SDH鏈路雖然穩(wěn)定性較強，但擴展性較差；不同需求的業(yè)務(wù)沒有分類和進行QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）配置，線路帶寬利用不均衡；市－縣標(biāo)清會商系統(tǒng)承載在政務(wù)網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)上，不便于管理和調(diào)度，市－縣2M線路帶寬成為高清視頻/預(yù)報業(yè)務(wù)發(fā)展的瓶頸；迫切要求提升市－縣線路帶寬，優(yōu)化省－市、市-縣通信系統(tǒng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間、通信線路間的自動熱備切換，提高全省氣象通信骨干網(wǎng)的可靠性和可擴展性。

2 關(guān)鍵技術(shù)概述

2.1 虛擬路由器冗余協(xié)議（VRRP）

VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol，虛擬路由器冗余協(xié)議）是一種冗余備份協(xié)議，為具有組播或廣播能力的局域網(wǎng)（如以太網(wǎng)）設(shè)計，保證當(dāng)局域網(wǎng)內(nèi)主機的下一跳路由器/交換機設(shè)備出現(xiàn)故障時，可以及時地由另一臺路由器/交換機來代替，從而保持網(wǎng)絡(luò)通信的連續(xù)性和可靠性。

2.2 雙向轉(zhuǎn)發(fā)檢測（BFD）

BFD（Bidirectional Forwarding Detection，雙向轉(zhuǎn)發(fā)檢測）是對傳統(tǒng)的VRRP協(xié)議進行優(yōu)化和增強，實現(xiàn)快速切換的技術(shù)。應(yīng)用BFD機制對VRRP與BFD進行綁定提升優(yōu)先級等兩大關(guān)鍵技術(shù)，可用于快速檢測、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中鏈路或者IP路由的轉(zhuǎn)發(fā)連通狀況，保證鄰居之間能夠快速檢測到通信故障，減少故障收斂時間，從而快速建立起備用通道恢復(fù)通信，實現(xiàn)VRRP的快速切換。

2.3 MSTP

MSTP（Multi-Service Transfer Platform，基于SDH的多業(yè)務(wù)傳送平臺）技術(shù)是在傳統(tǒng)的SDH設(shè)備上增加了以太網(wǎng)和ATM業(yè)務(wù)的接入、處理、傳送能力，其技術(shù)定位在融合TDM和以太網(wǎng)二層交換，通過二層交換實現(xiàn)數(shù)據(jù)的智能控制和管理，優(yōu)化數(shù)據(jù)在SDH通道中的傳輸，并有效解決ADM/DXC設(shè)備業(yè)務(wù)單一和帶寬固定、ATM設(shè)備價格昂貴以及IP設(shè)備組網(wǎng)能力有限和QoS問題。

該技術(shù)充分利用SDH技術(shù)對傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流提供保護恢復(fù)能力和較小的延時性能，其效率高于傳統(tǒng)的多鏈路捆綁，是基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的主流技術(shù)和性價比較高的組網(wǎng)模式。

2.4 最短路徑優(yōu)先協(xié)議

OSPF（Open Shortest Path First，開放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議）是一種內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議，通過路由器之間通告網(wǎng)絡(luò)接口的狀態(tài)來建立鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，生成最短路徑樹，每個OSPF路由器使用這些最短路徑構(gòu)造路由表。

2.5 服務(wù)質(zhì)量

QoS是網(wǎng)絡(luò)的一種安全機制，是用來解決網(wǎng)絡(luò)延遲和阻塞等問題的一種技術(shù)。對關(guān)鍵應(yīng)用和多媒體應(yīng)用十分必要，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)過載或擁塞時，QoS 能確保重要業(yè)務(wù)量不受延遲或丟棄，同時保證網(wǎng)絡(luò)的高效運行。

4 數(shù)據(jù)/視頻網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

鑒于MSTP線路具有SDH線路的優(yōu)點，且擴展能力較好，將全省SDH線路替換為MSTP線路，省中心核心、地市匯聚路由器均采用點到多點的鏈接模式，簡化了設(shè)備接口。擴容優(yōu)化后省－市骨干網(wǎng)采用3條8M線路和2臺匯聚路由器組網(wǎng)，采用VRRP配置；核心/匯聚路由器1配置為：MSTP 8M和MPLS VPN 8M為主接入路由器，分別承載視頻和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；核心/匯聚路由器2配置為：MPLS VPN 8M為主接入路由器，2臺核心/匯聚路由器間互連，視頻會商系統(tǒng)/數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸系統(tǒng)通過交換機接入，實現(xiàn)冗余備份。

市－縣采用兩條4M鏈路、兩臺接入路由器、一臺交換機組網(wǎng)，采用VRRP配置，匯聚/接入路由器1配置為：MSTP 4M為主接入路由器，主要承載視頻業(yè)務(wù)，匯聚/接入路由器2配置為：MPLS VPN 4M為主接入路由器，主要承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，兩臺匯聚路由器間互連，視頻會商系統(tǒng)/數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸系統(tǒng)通過交換機接入，實現(xiàn)冗余備份。

采用MSTP/MPLS VPN方式接入后，可能會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中間鏈路故障而兩側(cè)的以太接口可能還處于假UP的狀態(tài)，因此需要配置OSPF與BFD聯(lián)動，配置Track與策略路由、靜態(tài)路由聯(lián)動，實現(xiàn)鏈路檢測線路快速切換，同時保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐德窂揭恢隆?/p>

為了有效利用線路帶寬資源，滿足高清會商的基本要求，實現(xiàn)線路互備，同時避免短時突發(fā)數(shù)據(jù)流影響，確保基本業(yè)務(wù)正常運行，分別在MSTP線路和MPLS VPN線路上配置QoS策略。使用基于類的隊列（Class Based Queuing）排隊機制，來區(qū)別對待不同的通信類，使之得到一定比例的帶寬或可用帶寬權(quán)重比。

圖1 優(yōu)化擴容后骨干網(wǎng)拓?fù)鋱D

4 技術(shù)路線

4.1 IP地址規(guī)劃

在使用VRRP協(xié)議時，需要在路由器上配置虛擬路由器號和虛擬IP地址，增加視頻業(yè)務(wù)網(wǎng)段，數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)和視頻會商系統(tǒng)劃分在不同的網(wǎng)段，同時對各市、縣的局域網(wǎng)核心交換機與路由器、視頻終端的連接端口做了規(guī)范，便于系統(tǒng)的維護和管理。

各地市局32個C 類地址段中最后1個C類為市本地局域網(wǎng)地址；按各市局本網(wǎng)段范圍內(nèi)從低到高的第3個C類前16個地址為視頻業(yè)務(wù)地址；各地市所轄縣8個C類地址段中從低到高最后1個為縣局局域網(wǎng)地址；從低到高的第2個C類地址段前16個地址為視頻業(yè)務(wù)地址。

4.2 路由規(guī)劃

除視頻會商系統(tǒng)采用靜態(tài)路由，全網(wǎng)采用OSPF動態(tài)路由協(xié)議和VRRP技術(shù)，每一地市局分屬于獨立的Area。利用MSTP線路低時延、低抖動的特點，保證視頻會商和雷達傳輸業(yè)務(wù)。當(dāng)視頻會商業(yè)務(wù)開展時，采用MSTP鏈路優(yōu)先承載視頻會商業(yè)務(wù)，MPLS VPN鏈路作為視頻會商業(yè)務(wù)的備用承載鏈路，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸主要由MPLS VPN線路承擔(dān)，當(dāng)網(wǎng)內(nèi)不存在視頻會商業(yè)務(wù)時，兩條鏈路均可用于承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；通過配置策略路由（Policy Routing）、Track功能及QoS等，實現(xiàn)多條鏈路負(fù)載均衡，提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性。

地市級匯聚路由配置舉例如下：

#局域網(wǎng)交換機接口配置，OSPF與BFD聯(lián)動，啟用VRRP，配置策略路由

interface GigabitEthernet3/0/0

port link-mode route

ip address 10.141.*.2 255.255.255.0

ospf cost 20

ospf bfd enable

bfd min-transmit-interval 200

bfd min-receive-interval 200

bfd min-echo-receive-interval 200

vrrp vrid 1 virtual-ip 10.141.*.1

vrrp vrid 1 priority 120

ip policy-based-route PBR-FJ

#局域網(wǎng)視頻設(shè)備接口配置（視頻網(wǎng)段），OSPF與BFD聯(lián)動，啟用VRRP，配置策略路由

interface Ethernet3/1/6

port link-mode route

ip address 10.141.*.2 255.255.255.240

ospf cost 20

ospf bfd enable

bfd min-transmit-interval 200

bfd min-receive-interval 200

bfd min-echo-receive-interval 200

vrrp vrid 2 virtual-ip 10.141.*.1

vrrp vrid 2 priority 120

ip policy-based-route PBR-FJ

#兩臺匯聚路由器互聯(lián)配置，OSPF與BFD聯(lián)動

interface GigabitEthernet3/0/1.500

vlan-type dot1q vid 500

ip address 10.141.*.3 255.255.255.252

ospf cost 10

ospf network-type p2p

ospf bfd enable

bfd min-transmit-interval 200

bfd min-receive-interval 200

bfd min-echo-receive-interval 200

#

interface GigabitEthernet3/0/1.501

vlan-type dot1q vid 501

ip address 10.141.*.2 255.255.255.252

ospf cost 10

ospf network-type p2p

ospf bfd enable

bfd min-transmit-interval 200

bfd min-receive-interval 200

bfd min-echo-receive-interval 200

#上聯(lián)到省中心核心路由器，配置OSPF與BFD聯(lián)動，配置QoS

interface Ethernet3/1/0

port link-mode route

qos max-bandwidth 8192

ip address 10.*.*.* 255.255.255.252

ospf cost 12

ospf network-type p2p

ospf bfd enable

bfd min-transmit-interval 200

bfd min-receive-interval 200

bfd min-echo-receive-interval 200

qos reserved-bandwidth pct 90

qos lr outbound cir 8192 cbs 512000 ebs 0

qos apply policy Qos_FJ_VPN1 outbound

#

#下聯(lián)到縣級接入路由器，配置OSPF與BFD聯(lián)動，配置QoS

interface Ethernet3/1/4.861

vlan-type dot1q vid 861

qos max-bandwidth 4096

ip address 10.*.*.* 255.255.255.252

ospf cost 24

ospf network-type p2p

ospf bfd enable

bfd min-transmit-interval 200

bfd min-receive-interval 200

bfd min-echo-receive-interval 200

qos reserved-bandwidth pct 90

qos lr outbound cir 4096 cbs 256000 ebs 0

qos apply policy Qos_County_MSTP outbound

ip policy-based-route PBR-FJ

#

[1] 國家氣象信息中心. 全國氣象寬帶網(wǎng)絡(luò)主干系統(tǒng)整合實施方案，2011.

[2] Andrew S Tanenbaum.計算機網(wǎng)絡(luò)（第四版）[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社，2004.

[3] 華為技術(shù)有限公司. VRRP特性增強技術(shù)白皮書，2007.