民航通信網高可靠性技術研究

張峰俊

（東北空管局通信網絡中心網絡運行部，沈陽 110043）

1 引言

伴隨著計算機技術、通信技術以及它們融合產生的計算機網絡技術的飛速發展，民航系統內的各類IT業務系統突飛猛進，涉及到安全生產、運行保障、辦公OA、電子政務等各個方面，覆蓋民航局、地區管理局、監管局、空管、機場、航空公司等全民航的各個機構。然而現有的民航通信網（ATM網）帶寬低，技術擴展性差，在一定程度上滯后于主流網絡技術的發展。在這種背景下，全新的民航通信網應運而生。

民航通信網總體網絡構架包括傳輸網、IP承載網以及TDM承載網。傳輸網是通信網底層物理網，提供傳輸通道。業務承載網構建在傳輸網之上，分為IP承載網和TDM承載網：其中TDM承載網滿足甚高頻話音、雷達、自動轉報、ADS-B、管制移交電話等業務的接入；IP承載網承載的業務包括民航電子政務、視頻會議、氣象會商和氣象數據庫、航行情報信息系統等。

2 民航通信網高可靠性技術

民航通信網采用了很多高可靠性的技術，保障所承載的業務數據可以高效、可靠的傳輸。在物理網絡架構層面上，重要節點全部配置雙設備、雙鏈路，以此保證整個骨干網形成完全冗余的架構；在路由層面上，IP承載網采用BFD、FRR等鏈路快速切換技術，當某條物理鏈路出現故障時，可以保證快速檢測并快速切換至冗余鏈路進行數據傳輸，有效保障業務傳輸的實時性和可靠性；TDM承載網采用設置冗余點到點隧道迂回路由的方式進行可靠性保障；在設備性能層面上，重要節點配備高端設備，配置雙引擎，雙電源，重要業務配置雙板卡等冗余保障機制來實現物理設備自身的冗余保障。

下面主要分析BFD和FRR技術在民航通信網中的作用。

3 雙向轉發檢測BFD

常見的鏈路故障檢測方法主要有以下幾種：一是通過硬件檢測，它的優點是可以很快地發現故障，但并不是所有介質都能夠提供硬件檢測；二是通過路由協議中的Hello報文機制，但是這種機制檢測到故障所需時間為秒級，延時過大；再有就是不同的協議有時會提供專用的檢測機制，但在系統間互聯互通時，這樣的專用檢測機制通常難以部署。雙向轉發檢測BFD（Bidirectional Forwarding Detection）提供了一個通用的、標準化的、介質無關、協議無關的快速故障檢測機制，可以為各上層協議如路由協議、MPLS等統一地快速檢測兩臺路由器間雙向轉發路徑的故障，這種故障檢測的時間可以縮短到毫秒級。

BFD本身并沒有發現機制，而是靠被服務的上層協議通知其與誰建立會話，會話建立后如果在檢測時間內沒有收到對端的BFD控制報文則認為發生故障，通知被服務的上層協議，上層協議進行相應的處理。

BFD會話的建立過程如圖1所示：上層協議通過自己的Hello機制發現鄰居并建立連接。上層協議在建立了新的鄰居關系時，將鄰居的參數及檢測參數（包括目的地址和源地址等）都通告給BFD。

FD根據收到的參數進行計算并建立鄰居。

圖1 BFD會話建立過程

當鏈路出現故障時，BFD技術的處理方式如圖2所示：BFD檢測到鏈路/網絡故障，BFD會話的狀態變為Down；FD通知本地上層協議進程BFD鄰居不可達；本地上層協議中止上層協議鄰居關系；如果網絡中存在備用路徑，路由器將選擇備用路徑。

圖2 BFD鏈路故障處理過程

在民航IP網中采用BFD技術主要有三種：

BFD for ISIS，BFD for LDP LSP 和 BFD for LDP Tunnel， 表1顯示了采用BFD技術與不采用BFD技術故障鏈路收斂的時間對比。從對比中可以看出，BFD技術的采用極大地提高了民航IP網的可靠性。

表1 不采用BFD技術和采用BFD技術對比

4 快速重路由FRR

當網絡中鏈路或者節點失效后，經過這些失效節點到達目的地的報文可能被丟棄或者形成回環，這樣網絡中就不可避免地會產生暫態的流量中斷或者流量回環現象，直到網絡重新收斂計算出新的拓撲和路由。通常，這樣的中斷會持續幾秒左右。因此，為了減小網絡中流量中斷時間，必須提供一種機制，能夠實現以下功能：快速地發現鏈路失效。當鏈路失效后，迅速地提供一條恢復路徑。

在后繼網絡恢復過程中，避免出現轉發環路。這種機制就是FRR（Fast Reroute，快速重路由）。FRR的工作過程如下：一是故障快速檢測，常用技術包括BFD、物理信號檢測等。二是修改轉發平面，將流量切換到預先計算好的備份路徑上去。三是路由重收斂。四是重收斂結束后，將流量又重新切換至最優路徑。

以IP FRR為例，如圖3所示，Router A到Router D之間建立IP FRR，流量按最優路徑進行轉發，以經過Router B的為主路徑，以經過Router C的為備份路徑。當主路徑上鏈路或節點Router B失效后，通過BFD等故障快速檢測機制，發現鏈路失效，迅速將流量切換到備份路徑上；在路由重收斂結束后，流量將切換到重新計算出來的最優路徑。可見，備份路徑的作用是填補路由重收斂間隙，通過將流量快速切換至備份下一跳，保證業務不中斷。

圖3 FRR工作原理示意圖

FRR技術涵蓋的內容非常豐富，除IP FRR，還包括LDP FRR、TE FRR、VPN FRR、PWE3 FRR等技術。在可靠性組網中，通常根據網絡的需求，在不同的組網環境中進行部署一種或者多種FRR技術配合使用，從而提高網絡的可靠性。目前在民航IP網中采用FRR技術主要有三種：IP FRR，LDP FRR和VPN FRR。