通信IP網BFD應用的研究

徐 俊，秦藝力，唐 淼，湯 楹

（中國衛星海上測控部 江蘇 江陰 214431）

通信IP網主要用于實時數據、話音、圖像業務的綜合傳輸與交換，要求業務可靠不間斷傳輸。也就是當網絡中出現通信故障時，網絡設備可以快速檢測到與相鄰設備之間的通信狀態，以便及時采取措施，保證業務繼續傳輸。但目前網絡協議一般采用慢Hello機制，通信故障檢測時間較長。同時現有的IP網絡中不具備秒以下的間歇性故障修復功能，而傳統路由架構在對實時應用（如語音）進行準確故障檢測方面能力有限。隨著通信IP網中實時業務的激增，實現快速網絡故障檢測和修復越發顯得必要。

華為公司提出的雙向轉發檢測BFD（Bidirectional Forwarding Detection）協議解決了現有網絡協議檢測機制的不足，可以快速檢測、監控網絡中鏈路或者IP路由的轉發連通狀況，保證鄰居之間能夠快速檢測到通信故障，從而快速建立起備用通道恢復通信。本文根據通信IP網絡運行中出現的問題，應用BFD技術，實現VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol）的Master/Backup狀態的毫秒級切換和靜態路由的主備切換，提高了網絡的可靠性。

1 BFD介紹

BFD在兩個系統間建立會話，并沿它們之間的路徑周期性發送BFD控制報文，如果一方在既定的時間內沒有收到BFD控制報文，則認為路徑上發生了故障，便快速建立替代通道或倒換到其他鏈路[1]。

BFD 會話有 4 種狀態：Down、Init、Up、AdminDown。

1）Down：會話未建立或剛創建。

2）Init：已經能夠與對端系統通信，本端希望會話進入Up狀態。

3）Up：會話已經建立成功。

4）AdminDown：會話處于管理性Down狀態。

會話狀態通過BFD控制報文傳遞，系統根據自己本地的會話狀態和接收到的對端會話狀態驅動狀態改變。會話狀態Down、Init、Up這3種主要狀態的遷移關系如圖1所示。其中橢圓框表示本地系統的狀態，帶箭頭的線條表示狀態遷移方向，線條旁的文字表示引起狀態遷移的事件，Down、Init、Up、AdminDown表示接收到的對端BFD控制報文狀態字段state的值。引起狀態遷移的事件包括對端狀態變化和檢測定時器超時。例如，本端在Init狀態時，如果收到對端發來state字段值為“Init”的控制報文，本端將遷移到Up狀態。

BFD主要功能：

1）雙向檢測：BFD在雙向鏈路兩端同時發送檢測報文，檢測兩個方向上的鏈路狀態，實現毫秒級的鏈路故障檢測[2]。

圖1 BFD狀態遷移圖Fig.1 State transition of BFD

2）單跳檢測：BFD對兩個直連系統進行IP連通性檢測，“單跳”指 IP 的一跳[3]。

3）多跳檢測：BFD可以檢測兩個系統間的任意路徑，這些路徑可能跨越很多跳，也可能在某些部分發生重疊[4]。

2 通信IP網中BFD的應用

2.1 通信IP網結構

文中介紹的通信IP網分為區域內城域網和區域間廣域網兩大部分。區域內城域網按照“核心-匯聚-接入”3層結構組網，采用“一網雙平面”的結構，核心/匯聚雙機組網，兩平面互為備份，有主備業務的接入層采用雙歸屬方式上聯到匯聚節點，主備接入端雙網卡分別配置第一平面和第二平面地址，網絡拓撲結構如圖2所示。其中，城域網核心層、匯聚層、接入層間配置動態路由協議OSPF（Open Shortest Path First），將整個網絡配置為一個自治系統AS（Autonomous System）。防火墻啟用橋模式連接核心交換機和加密機，核心交換機和路由器之間配置靜態路由。

圖2 通信IP網城域網拓撲圖Fig.2 The topology of communication IP network

區域間廣域網由兩個獨立的網絡平面構成，路由器配置為主備冗余方式，第一平面的信息從路由器1轉發，第二平面信息從路由器2轉發。區域A、B需要和指揮中心A、B兩個中心的城域網相連，連接關系如圖3所示。其中路由器1表示第一平面的路由器，路由器2表示第二平面的路由器，廣域網第一平面互聯地址的第一字節為128，第二平面互聯地址的第一字節為192，掩碼24位?？紤]到廣域網連接關系簡單和廣域網鏈路帶寬受限，廣域網不配置動態路由，配置靜態路由。

圖3 通信IP網廣域網連接關系圖Fig.3 The topology of communication IP WAN

2.2 VRRP的BFD檢測

在第一平面核心交換機上聯防火墻的接口配置虛擬路由冗余協議VRRP備份組，核心交換機1在備份組中優先級較高，作為Master，核心交換機2配置為Backup。加密機1配置靜態路由，目的地址為第一平面局域網地址段，下一跳為VRRP虛地址。第二平面配置類似，核心交換機2作為Master，核心交換機1作為Backup。

VRRP的檢測時間為秒級，一旦Master發生故障時無法快速收斂，會導致部分高速的實時數據丟失或視頻圖像丟幀。因此在網絡中應用BFD雙向檢測功能，將VRRP與BFD結合使用。利用BFD監控Master和Backup之間鏈路狀態，VRRP通過監視BFD會話狀態實現主備快速切換，切換時間為毫秒級[5]。在核心交換機上配置BFD for VRRP，在Master不可用時，Backup的優先級增加并大于原來Master的優先級，升級成Master。以區域A城域網配置為例，配置如表1和表2所示。

2.3 BFD單跳檢測

通信IP網路由器上配置靜態路由，目的地址局域網地址段，下一跳地址為VRRP虛地址。應用中發現單播業務正常，而城域網之間的組播業務不正常。分析組播路由建立過程發現，城域網路由器生成的協議無關組播PIM（Protocol Independent Multicast）的組播路由表項下游接口為VRRP虛擬接口，路由器的PIM“加入”（Join）信息將發給VRRP虛擬交換機，而VRRP虛擬交換機是虛擬設備，無法生成組播路由表，也無法發送PIM“加入”信息給匯聚交換機，從而導致核心層、匯聚層、接入層之間組播路由無法建立。為此在第一平面路由器1上配置兩條靜態主備路由，下一跳為核心交換機1的路由配置較高優先級，作為優選路由，下一跳為核心交換機2的路由配置優先級較低，作為候選路由。同理，第二平面路由器2也配置兩條不同優先級的靜態路由。靜態路由配置后，組播和單播業務都可以正常傳輸。

表1 第一平面核心交換機1 BFD for VRRP配置Tab.1 BFD for VRRP configuration of the core switch 1

表2 第一平面核心交換機2 BFD for VRRP配置Tab.2 BFD for VRRP configuration of the core switch 2

但應用中發現當核心交換機1連接防火墻的鏈路中斷時，路由器1并沒有切換到下一跳核心交換機2，從而導致路由器1到核心層路由不可達。分析路由器1到和核心層鏈路發現，由于防火墻工作正常，路由器1與防火墻1的互連口一直處于UP狀態，靜態路由自身沒有檢測機制，路由器1依然優選下一跳核心交換機1，不會切換到候選路由。第二平面路由器2到核心層路由也存在同樣的問題。為此采用靜態路由與BFD會話綁定的方法，當某條靜態路由上的BFD會話檢測到故障（由Up轉為Down），BFD會將故障上報路由管理系統，路由管理系統將這條路由設置為“非激活”狀態（此路由不可用），啟用候選路由。當鏈路恢復正常時，BFD會話成功建立（由Down轉為Up），BFD會上報路由管理系統，路由管理系統將這條路由設置為“激活”狀態（此路由可用）[6]。第一平面BFD for靜態路由的配置如表3和表4所示。

2.4 BFD多跳檢測

如圖3所示第一平面區域A和區域B之間存在兩條等價路由，因此區域A到區域B的路由器配置了不同優先級的靜態路由，優選路由下一跳為指揮中心A路由器1，候選路由下一跳為指揮中心B路由器1。區域B路由器1配置類似，路由配置如表5和表6所示。

應用中發現，當第一平面區域A與指揮中心A、指揮中心B之間鏈路正常時，區域A路由器1會優先選擇下一跳為指揮中心A路由器1，如果此時指揮中心A與區域B之間鏈路故障，指揮中心A到區域B的路由不可達，從而導致區域A到區域B的路由不可達。盡管區域A到區域B存在兩條路由，由于靜態路由缺少檢測機制，在優選路由不可達時，依然無法實現雙路由的備份。區域B到區域A的路由、第二平面廣域網路由也存在類似問題，這勢必影響到廣域網間實時數據的傳輸。

為解決上述問題，利用BFD對靜態路由的多跳檢測功能，在第一平面區域A路由器1和區域B路由器1之間建立一個多跳BFD會話，將區域A和區域B之間的優選路由與BFD會話綁定，當BFD檢測區域A和區域B優選路由的鏈路存在故障時，BFD將故障上報路由管理系統[7]，路由管理系統認為該優選路由不可達，自動切換到候選路由，保證區域A到區域B之間的路由可達，實現雙路由備份。當鏈路恢復，BFD會話成功建立，路由管理系統依然使用優選路由，第一平面BFD for靜態路由的配置如表7和表8所示。

表3 第一平面路由器1 BFD for靜態路由配置Tab.3 BFD for static route configuration of the router 1

表4 第一平面核心交換機1 BFD for靜態路由配置Tab.4 BFD for static route configuration of the core switch 1

表5 區域A城域網路由器1靜態路由配置Tab.5 Static route configuration of the router 1 in area A

表6 區域B城域網路由器1靜態路由配置Tab.6 Static route configuration of the router 1 in area B

3 結 論

在研究BFD協議原理的基礎上，通過在通信IP網中應用BFD雙向快速檢測功能，解決了VRRP的Master/Backup狀態毫秒級切換和靜態路由主備自動切換問題，為通信IP網的實時視頻、語音等業務的傳輸提供了可靠保證，并提高了網絡的自愈能力。當然提高網絡可靠性的策略還有很多，如何根據通信IP網的實際應用選擇高可靠性策略以保障網絡性能，是我們下一步的研究方向。

表7 區域A城域網路由器1 BFD for靜態路由配置Tab.7 BFD for static route configuration of the router 1 in area A

表8 區域B城域網路由器1 BFD for靜態路由配置Tab.8 BFD for static route configuration of the router 1 in area B

[1]華三公司.BFD技術白皮書 [EB/OL].（2008）[2011-12-04].http：//www.h3c.com.cn/Products_Technology/Technology/Router/Other_technology.

[2]Katz D，Ward D.Bidirectional Forwarding Detection[EB/OL].（2010-06）[2011-12-04].http：//tools.ietf.org/html/rfc5880.

[3]Katz D，Ward D.BFD for IPv4 and IPv6 （Single Hop）[EB/OL].（2010-06）[2011-12-04].http：//tools.ietf.org/html/rfc5881.

[4]Katz D，Ward D.BFD for multi hop paths[EB/OL].（2010-06）[2011-12-04].http：//mirror.lzu.edu.cn/docs/rfc/authors/rfc5883.txt

[5]Knight S，Weaver D.Virtual Router Redundancy Protocol[EB/OL]. （1998-04） [2011-12-04]http：//www.faqs.org/rfcs/rfc2338.html.

[6] 華三公司.BFD配置 [EB/OL].（2008）[2011-12-04]http：//www.h3c.com.cn/service/document_center/ip_network_product/switches/s3500-ea/s3500-ea/configure/operation_manual/s3500-ea_om-release_5309-6w101/03-ip/201103/710309_30005_0.htm.

[7]張立濤.基于智能網關的數字家庭網絡系統架構設計[J].現代電子技術，2010（09）：84-86.

ZHANG Li-tao.Design of digital home network system architecture based on intelligent gateway[J].Modern Electronics Technique，2010（09）：84-86.