雙向轉(zhuǎn)發(fā)檢測及其設(shè)計實(shí)現(xiàn)

周三友，李吉良，周玉娟

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

為了減小設(shè)備故障對業(yè)務(wù)的影響，提高網(wǎng)絡(luò)的可用性，需要對設(shè)備之間通信的連通性進(jìn)行檢測，以便能夠及時采取措施，持續(xù)向用戶提供服務(wù)。

傳統(tǒng)的連通性檢測方法主要有2種：① 硬件信號檢測方式通過檢測線路中的信號狀態(tài)進(jìn)行連通性檢測，例如SDH網(wǎng)絡(luò)中的信號丟失、幀失步等。這種方式的響應(yīng)速度很快，但僅有一部分物理鏈路具有這一功能，并且只能檢測底層故障，鏈路層以上的故障無法檢測。② 軟件握手檢測方式通過定時交互握手消息來檢測連通性，例如路由協(xié)議中的Hello報文機(jī)制。這種方式能夠檢測到網(wǎng)絡(luò)層的故障，但響應(yīng)時間較慢，通常在秒級以上。

為了解決傳統(tǒng)連通性檢測方式存在的問題，IETF提出了BFD，希望通過一種統(tǒng)一的機(jī)制提供快速連通性檢測。

1 雙向轉(zhuǎn)發(fā)檢測

1.1 工作原理

IETF在2010年6月正式發(fā)布了RFC5880[1]，詳細(xì)描述了BFD的基本原理以及BFD協(xié)議的使用場景。隨后，又發(fā)布了一系列補(bǔ)充協(xié)議文檔，包括RFC5881[2]，RFC5882[3]，RFC5883[4]，RFC5884[5]，RFC5885[6]等，擴(kuò)展了BFD的應(yīng)用范圍。BFD是一種通用、介質(zhì)無關(guān)、協(xié)議無關(guān)的快速連通性檢測機(jī)制，可以應(yīng)用到多種不同的場景中[7-10]，實(shí)現(xiàn)毫秒級的故障檢測，因此很快被各大通信設(shè)備廠商采納，成為通信設(shè)備的一項重要功能。文獻(xiàn)表明BFD已經(jīng)在多種網(wǎng)絡(luò)中得到了應(yīng)用，取得了良好的效果。

BFD通過快速、周期性地發(fā)送BFD包來進(jìn)行連通性檢測，包括2種工作模式：

① 異步模式：系統(tǒng)周期性地向?qū)Χ税l(fā)送BFD控制報文，如果對端沒有收到一定數(shù)量的報文則會話狀態(tài)為DOWN。

② 按需模式：一旦BFD會話建立后，系統(tǒng)可以要求遠(yuǎn)端停止發(fā)送BFD控制報文，只有當(dāng)系統(tǒng)需要驗證連通性時才與遠(yuǎn)端系統(tǒng)短暫地交互一系列BFD控制報文，然后遠(yuǎn)端系統(tǒng)重新處于靜默。

還有一種和上述工作模式結(jié)合使用的功能——回聲功能。當(dāng)使用回聲功能時，系統(tǒng)發(fā)送BFD回聲報文到遠(yuǎn)端系統(tǒng)，然后由遠(yuǎn)端將報文環(huán)回。如果系統(tǒng)沒有收到一定數(shù)量環(huán)回的回聲報文，就認(rèn)為會話結(jié)束(DOWN)。

1.2 報文格式

BFD報文必須封裝在目的端口為3 784的UDP報文中，源端口必須在49 152～65 535之間。

BFD報文格式如圖1所示。

圖1 BFD報文格式

各字段含義如下：

Vers：版本，目前為1。

Diag：診斷碼，指示本地系統(tǒng)最近的會話狀態(tài)變化的原因。

Sta：發(fā)送系統(tǒng)記錄的當(dāng)前BFD會話狀態(tài)。

Flag：包括P(Poll)，F(xiàn)(Final)，C，A，D，M等控制位，實(shí)現(xiàn)報文交互過程的控制功能。

DetectMult：檢測時間倍數(shù)。在異步模式中，協(xié)商的發(fā)送間隔乘以此倍數(shù)，即接收系統(tǒng)的檢測時間。

Length：BFD控制報文長度(Byte)。

My Discriminator：發(fā)送端BFD會話標(biāo)識。

Your Discriminator：接收端BFD會話標(biāo)識。

Desired Min TX Interval：本地系統(tǒng)發(fā)送BFD控制報文的最小時間間隔(ms)。

Required Min RX Interval：系統(tǒng)接收BFD控制報文的最小時間間隔(ms)。

Required Min Echo RX Interval：系統(tǒng)接收回聲報文的最小時間間隔(ms)。

此外，根據(jù)需要還可以對BFD包增加認(rèn)證字段。

2 雙向轉(zhuǎn)發(fā)檢測設(shè)計實(shí)現(xiàn)

2.1 總體架構(gòu)

常見的路由交換設(shè)備一般包括控制交換板和線路接口板2種板卡。根據(jù)BFD功能分布位置不同可以將BFD的設(shè)計實(shí)現(xiàn)分為2種：集中式BFD和分布式BFD[11]。

集中式BFD將BFD會話的維護(hù)管理、BFD包的收發(fā)等所有工作全部放在控制交換板上進(jìn)行。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡單，缺點(diǎn)是BFD會話較多時可能造成控制交換板CPU過載。分布式BFD將BFD的功能分解到不同的板卡上進(jìn)行，控制交換板負(fù)責(zé)BFD會話的創(chuàng)建、維護(hù)和管理，線路接口卡負(fù)責(zé)BFD包的發(fā)送、接收和檢測。分布式BFD的優(yōu)點(diǎn)是降低了控制交換板的開銷，缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)相對復(fù)雜。

為了避免大量BFD包對控制交換板CPU的沖擊，提高設(shè)備的穩(wěn)定性，本項目選擇分布式BFD方式。其中，BFD會話管理在控制交換板的CPU上實(shí)現(xiàn)。BFD會話創(chuàng)建完畢進(jìn)入“UP”狀態(tài)后，BFD包的發(fā)送、接收和監(jiān)控在線路接口板上實(shí)現(xiàn)。在具體的實(shí)現(xiàn)上，可以采用通用CPU實(shí)現(xiàn)[12]，也可以采用多核處理器[13]或ASIC實(shí)現(xiàn)[14]，但總體來看基于CPU的軟件實(shí)現(xiàn)會占用較多的CPU資源，ASIC實(shí)現(xiàn)的靈活性比較差。

與CPU，ASIC相比，網(wǎng)絡(luò)處理器既能進(jìn)行靈活的編程，也具有較高的處理性能，因此在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中得到了大量的應(yīng)用[15-17]。本文采用網(wǎng)絡(luò)處理器NPX進(jìn)行BFD處理，它具有以下特點(diǎn)：雙向20 G包處理能力；集成流量管理模塊，支持QoS；編程方式簡單。

按照包的處理順序劃分，NPX主要由解碼、查找I、分析、查找II、修改五個模塊組成[17]，如圖2所示。

圖2 NPX的模塊組成

每個模塊都有多個獨(dú)立的微引擎，執(zhí)行特定的微碼程序。一般來說，解碼模塊主要根據(jù)接收數(shù)據(jù)包的特征字段進(jìn)行分類，提取包中特定的信息組成查找鍵和消息發(fā)送給查找I模塊。查找I/II兩個模塊可以進(jìn)行線性表、Hash表、二叉樹和最長匹配等不同形式的查表。分析模塊分析查找I模塊的查表結(jié)果，必要時可要求查找II模塊可以進(jìn)行二次查表。修改模塊根據(jù)包中攜帶的信息及查表結(jié)果修改包中的內(nèi)容，并發(fā)送到指定的端口。

為了實(shí)現(xiàn)BFD等OAM功能，NPX內(nèi)部集成了一個OAM模塊，可以實(shí)現(xiàn)大量BFD會話的數(shù)據(jù)包產(chǎn)生和監(jiān)測功能[18]。

由于網(wǎng)絡(luò)處理器具有實(shí)現(xiàn)靈活、性能高的特點(diǎn)，因此本項目使用網(wǎng)絡(luò)處理器進(jìn)行BFD設(shè)計。

2.2 BFD會話管理

每個BFD會話可能處于3個狀態(tài)：DOWN，INIT，UP。BFD會話的當(dāng)前狀態(tài)和接收BFD包中的Sta字段決定了BFD會話的下一狀態(tài)。

當(dāng)BFD會話剛被創(chuàng)建時，處于DOWN狀態(tài)，此時開始周期性地發(fā)送BFD包，并監(jiān)測對方發(fā)送的BFD包。如果接收BFD包表示對端處于DOWN狀態(tài)，則本端遷移到INIT態(tài)。如果接收BFD包表示對端處于INIT狀態(tài)，則本端直接遷移到UP態(tài)。

當(dāng)BFD會話處于INIT狀態(tài)時，如果規(guī)定時間內(nèi)未收到對端BFD包，則轉(zhuǎn)入DOWN狀態(tài)。如果接收BFD包表示對端處于INIT或者UP狀態(tài)，則本端遷移到UP態(tài)。

當(dāng)BFD會話處于UP狀態(tài)時，如果規(guī)定時間內(nèi)未收到對端BFD包，或者接收BFD包表示對端處于DOWN狀態(tài)，則本端遷移到DOWN態(tài)。

BFD會話的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程如圖3所示。

圖3 BFD會話狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

2.3 BFD包發(fā)送

NPX通過OAM模塊的專用定時器(RTC)定時產(chǎn)生BFD包，發(fā)送過程如圖4所示。產(chǎn)生的BFD包攜帶著定時器ID發(fā)送到解碼模塊。

圖4 BFD包的產(chǎn)生

解碼模塊首先對包進(jìn)行預(yù)處理，通過硬件解碼器進(jìn)行數(shù)據(jù)包分類，并將分類結(jié)果存儲在在特定的硬件寄存器中。解碼模塊的微碼程序提取隨BFD包一起收到的定時器ID，形成查找Key，發(fā)送到查找模塊I。

查找模塊I根據(jù)定時器ID查找發(fā)送BFD會話表，查找結(jié)果中包含My Discriminator，Your Discriminator等信息，這些信息被發(fā)送給分析模塊。

分析模塊基本不做處理，直接通過查找II模塊將查表結(jié)果傳遞給修改模塊。修改模塊將查表結(jié)果中的信息填寫到BFD包的對應(yīng)字段中，發(fā)送到指定的輸出端口。

2.4 接收BFD包處理

接收BFD包的處理如圖5所示。

解碼模塊首先根據(jù)目的IP、目的端口等信息識別到接收包為BFD包，然后提取包中的My Discriminator，Your Discriminator作為查找鍵傳遞給查找模塊I。

查找模塊I查找接收BFD會話表，得到對應(yīng)的看門狗定時器ID，發(fā)送到分析模塊。分析模塊將該定時器清零，然后丟棄該BFD包。如果查找失敗，該BFD包將會被轉(zhuǎn)發(fā)到控制交換板進(jìn)行處理。

2.5 BFD包監(jiān)控

NPX為每一個BFD會話分配一個專用的看門狗定時器。如果在規(guī)定的檢測周期內(nèi)從接收端口收到了本會話的BFD包，微碼程序?qū)?fù)位該定時器。

如果在規(guī)定的檢測周內(nèi)沒有收到BFD包，則會產(chǎn)生定時器溢出事件發(fā)送給解碼模塊。解碼模塊收到該事件后，通過消息的方式通知到控制交換板，由控制交換板進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

3 結(jié)束語

BFD是一種簡單、快速、通用的連通性檢測方法。本文采用一種分布式處理的方式設(shè)計實(shí)現(xiàn)了BFD，通過控制交換板的CPU進(jìn)行BFD會話管理，利用線路接口板的網(wǎng)絡(luò)處理器進(jìn)行BFD包的快速發(fā)送、接收和故障檢測，避免了大量BFD包對控制交換板CPU的沖擊，提高設(shè)備的穩(wěn)定性。