城域網多鏈路帶寬測量系統設計與實現

黃錦燦陸明典*戴春容杜小洪黃先香白瑪多吉

（1.佛山市氣象局，廣東 佛山 528000；2.那曲班戈縣氣象局，西藏 那曲 852000）

1 引言

廣東省氣象局已經完成了市縣氣象業務通訊系統的城域網雙鏈路互備建設，在市局端的兩臺MSR5040路由器上利用BDF、NQA的技術實現兩條鏈路在發生故障以后，把業務自動切換到另外一條鏈路上，實現業務不中斷的應用效果[1]，該模型典型網絡結構拓撲如圖1所示。兩條鏈路通訊正常時，核心業務通過主干鏈路進行傳輸，視頻會商業務通過備份鏈路進行傳輸[2]；當主干鏈路故障時，NQA檢測到主干鏈路的網關不可達，路由器Track聯動模塊將業務切換到備份鏈路，從而實現雙鏈路的主備自動切換。

圖1 市縣氣象業務通信系統城域網拓撲圖

由于策略規則的原因，在當前應用環境下，要實現兩條鏈路的帶寬測量，需要先對主干鏈路進行帶寬測量，然后斷開主干鏈路，將所有業務遷移到備份鏈路，再進行帶寬測量。斷開主干鏈路需要登錄路由器禁用端口，或者采取插拔網線或運營商光纖的方式。手工進行該項操作有兩個弊端：有可能在操作期間影響到其他端口，甚至帶來接口模塊的物理損壞；其次，斷開主干鏈路后，所有的通訊數據轉移到備份鏈路，而備份鏈路帶寬小，測量期間還要承載大量的數據傳輸，對測量結果影響較大。為改進上述測量流程，本文提出一種利用服務器的靜態路由功能以及對端路由器的策略路由功能[3]，實現主備等多鏈路的帶寬測量方案。

其中，s為文件大小，單位：比特，?t為傳輸時間差，單位：秒。

常用的TCP傳輸以FTP、HTTP、SOCKET為主，這幾種傳輸方式中以FTP最為簡單。FTP即文件傳輸協議（File Transfer Protocol），它可以在網絡中傳輸多種類型的文件，用戶通過一個支持FTP協議的客戶端程序，連接到遠程FTP服務器，通過命令能夠實現文件的上傳和下載[5]，本文采用FTP傳輸來進行帶寬測試[6]。

2 多鏈路網絡路由分析

數據鏈路帶寬測量是利用網絡邊緣設備測量鏈路端到端的帶寬，端到端可用帶寬真實反映了某時段內鏈路的實際通信能力，對提高網絡接入效率和提高服務質量有著顯著的指導意義[4]。本文忽略傳輸期間背景損耗及測試期間其他業務的影響，將鏈路速率定義為：

根據圖1的網絡拓撲，帶寬測量可由市局作為發起端，縣局作為接收端進行數據上傳和下載，從而計算端到端的傳輸速率。據此，在市局即發起端設置一臺服務器A運行測量軟件，縣局即接收端設置一臺服務器B運行FTP服務器軟件。令服務器A的IP地址為10.151.1.10；服務器B配置2個IP地址，設為10.151.16.10，10.151.16.11（子接口）。A和B都應該盡量接近邊界路由器，這樣可以避免不必要的網絡損耗，對內網的影響也能夠降至最低。

進行主干鏈路帶寬測量時，A與B的IP地址10.151.16.10進行通訊；接收端回程路由使用默認配置，指定下一跳是1.1.1.1。往返數據包路由如下：

去程：10.151.1.10->10.151.1.250->1.1.1.1->1.1.1.2->10.151.16.1->10.151.16.10。

回程：10.151.16.10->10.151.16.1->1.1.1.2->1.1.1.1->10.151.1.250->10.151.1.10。

進行備份鏈路帶寬測量時，A配置靜態路由，指定前往B的IP地址10.151.16.11，其下一跳網關是10.151.1.251；接收端路由器新增策略路由，指定回程的下一跳是2.1.1.1。往返數據包路由如下：

去程：10.151.1.10->10.151.1.251->2.1.1.1->2.1.1.2->10.151.16.1->10.151.16.11。

回程：10.151.16.11->10.151.16.1->2.1.1.2->2.1.1.1->10.151.1.251->10.151.1.10。

兩種情況的路由拓撲圖如圖2所示，若存在多條鏈路，也可按上述流程進行路由分析。

圖2 兩種情況的路由拓撲圖

3 靜態路由

根據路由分析結果，服務器A需要通過靜態路由，指定去往10.151.16.11，下一跳是備份鏈路所連接的B路由器，在Linux操作系統上，使用route命令指定靜態路由：

route add-host 10.151.16.11 gw 10.151.1.251

如果有多條鏈路，則需要依次添加該鏈路所連接路由器網關的靜態路由。

4 策略路由

4.1 策略路由分析

通過路由分析可知，位于發起端的服務器A完成路由設置后，A去往接收端的服務器B已經能夠按需走主干或者是備份鏈路。但是接收端的路由器，在未設置策略路由的情況下，默認是走主干鏈路的，需要在縣局路由器上，編寫規則，匹配源IP地址為10.151.16.11去往10.151.1.11的數據包，其下一跳是備份鏈路的網關。

4.2 策略路由配置

創建ACL規則：

[MSR3020]acl advanced 3000

[MSR3020-acl-adv-3000]rule permitip source 10.151.16.110 destination 10.151.1.100

創建策略路由：

[MSR3020]policy-based-route bandwidth_test node 10

[MSR3020-pbr-bandwidth_test-10]if-match acl 3000

[MSR3020-pbr-bandwidth_test-10]apply ip-address nexthop 2.1.1.1

在10.151.16.1所在的端口上，下發策略路由規則：

[MSR3020-Ethernet5/0]ip policy-based-route bandwidth_test

路由器配置完成后，通過執行trace[7]命令跟蹤路由走向，其輸出結果與4.1的分析結論一致。

5 軟件設計與實現

5.1 功能概述

設計輔助軟件，目的是簡化日常的管理工作，將原先由人工完成的操作流程，交由軟件來定時執行測量，以及記錄測量結果、進行數據統計。多鏈路帶寬測量系統使用Java語言進行編碼，采用MySQL作為數據存儲工具[8]，軟件系統主要功能包括鏈路信息的增刪改查、轄區信息增刪改查、計劃任務增刪改查、報表定義等。

5.2 主要模塊設計

(1)鏈路信息管理

鏈路信息是一個POJO類，屬性分別為：鏈路名稱，對應的IP地址（服務器A據此編寫靜態路由），FTP端口號，FTP登錄用戶名和密碼，用于測量的文件名。

(2)測量計劃任務管理

測量計劃是一個POJO類，屬性分別為：縣局名稱，開通的鏈路名稱，測量執行時間，測量次數。測量執行時間使用Quartz包進行管理，Quartz框架是一個全功能、開源的任務調度服務，其標準的cron表達式為[秒分時日月星期年]。

軟件系統安裝在服務器A上，程序啟動后，根據預先配置的規則，定時器根據規則分別向服務器B循環上傳和下載文件，并記錄傳輸文件大小及起止時間，計算出鏈路帶寬。

5.3 上傳和下載的實現

Java提供了很多FTP的客戶端工具[9]，本文使用ftp4j來完成，ftp4j包含了較為完整的FTP接口封裝，根據程序設計文檔，在執行FTP上傳、下載時，記錄文件大小、傳輸起止時間，部分代碼如下：

上述代碼，展示了數據測量和存儲流程。

5.4 整體開發

通過定時任務功能，調用帶寬測量服務接口，完成了任意鏈路的帶寬測量，并將結果存儲到數據庫。數據庫中包含了完整的帶寬測量信息，利用ECharts將帶寬測量的結果以圖表的形式展現出來[10]。

6 結束語

本文探討了利用路由器策略路由功能、服務器靜態路由功能，分析設計并實現一套多數據鏈路的網絡帶寬自動測量軟件系統。經過業務運行，證實該軟件能夠簡化日常的帶寬測試工作，測量期間無需人工干預，且對業務的影響比較小，有效提高了網絡維護人員的工作效率。

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[10]王子毅，張春海．基于E C h a r t s的數據可視化分析組件設計實現[J]，2016(14)：46-51．