鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)承載業(yè)務(wù)非對稱路由解決方案

艾武

上海局鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)由邊緣路由器（PE）、用戶邊緣路由器（CE）、核心路由器（P）組成，在每個車站部署2臺接入邊緣路由器PE 01（主用）、PE 02（備用）。PE間采用光纖GE互聯(lián)，不同業(yè)務(wù)通過不同VPN來隔離，各業(yè)務(wù)系統(tǒng)相互獨(dú)立。2臺PE與2臺CE互聯(lián)，形成“口”字型冗余組網(wǎng)［1］。用戶側(cè)CE01和CE02前端各有1臺防火墻設(shè)備（Firewall 01，02），用于數(shù)據(jù)通信網(wǎng)與用戶側(cè)的安全域隔離，防火墻使用透明模式接入網(wǎng)絡(luò)，不改變網(wǎng)絡(luò)路由應(yīng)用。在防火墻設(shè)置安全策略，保證網(wǎng)絡(luò)安全。

全網(wǎng)采用多協(xié)議標(biāo)簽交換虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（MPLS/BGP VPN），自治域內(nèi)部設(shè)備路由采用IS-IS協(xié)議，業(yè)務(wù)路由采用內(nèi)部邊界網(wǎng)關(guān)（IBGP）協(xié)議，VPN用戶路由采用多協(xié)議-邊界網(wǎng)關(guān)（MP-BGP）協(xié)議［2］。承載業(yè)務(wù)包括旅客服務(wù)信息系統(tǒng)（PSIS）、牽引供電（電力）遠(yuǎn)動系統(tǒng)（SCADA）和GPRS系統(tǒng)等。正常狀態(tài)下，鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)承載業(yè)務(wù)接入流量走向見圖1。

PE與CE間使用靜態(tài)路由，在PE側(cè)配置業(yè)務(wù)地址，指向CE的靜態(tài)VPN路由，并在MPLS/BGP VPN實(shí)例里引入靜態(tài)路由［3］，實(shí)現(xiàn)各PE間業(yè)務(wù)路由的學(xué)習(xí)。下行業(yè)務(wù)流量走向根據(jù)IS-IS度量值參數(shù)（Metric）來進(jìn)行BGP路由選路。正常業(yè)務(wù)流量走向?yàn)镻E 03→P 01→PE 01→CE 01。

為防止業(yè)務(wù)側(cè)接入交換機(jī)至CE發(fā)生單點(diǎn)失效問題，CE側(cè)使用虛擬路由冗余協(xié)議（VRRP），對業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行冗余保護(hù)。CE 01設(shè)備VRRP為主用（master）狀態(tài)，監(jiān)控上行互聯(lián)鏈路狀態(tài)，CE 02設(shè)備VRRP為備用（backup）狀態(tài)。上行正常業(yè)務(wù)流量走向?yàn)镃E 01→PE 01→P 01→PE 03。

這種網(wǎng)絡(luò)易產(chǎn)生非對稱路由，當(dāng)鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)組網(wǎng)方式發(fā)生變化或用戶在CE側(cè)進(jìn)行業(yè)務(wù)主備切換時，可能導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷。

1 問題分析

非對稱路由是指發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包時，分別使用了主機(jī)和目的地設(shè)備之間2條不同的路徑。根據(jù)《鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)編號規(guī)則及路由規(guī)范》，同一多自治系統(tǒng)（AS）域內(nèi)路由器的業(yè)務(wù)路由策略應(yīng)一致，不適用路由控制及過濾策略，因此鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)側(cè)PE路由器不對相關(guān)業(yè)務(wù)路由進(jìn)行策略屬性控制。當(dāng)2臺PE路由器發(fā)布相同業(yè)務(wù)網(wǎng)段的路由時，路由屬性相同，對端PE設(shè)備根據(jù)IS-IS度量值參數(shù)（Metric）來進(jìn)行BGP路由選路［4］。

當(dāng)鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)設(shè)備互聯(lián)鏈路斷開時，設(shè)備間Metric值將會發(fā)生變化，設(shè)備會重新進(jìn)行路由選擇，并最終產(chǎn)生非對稱路由［4］。如圖2所示，當(dāng)邊緣路由器（PE 01）至核心路由器（P 01）設(shè)備鏈路中斷時，設(shè)備間會重新進(jìn)行路由計(jì)算選擇。上行流量走向?yàn)镃E 01→PE 01→PE 02→P 02→PE 03，PE 03設(shè)備優(yōu)先選擇PE 02設(shè)備發(fā)布的路由，加入本地VPN路由表［5］，由于PE 02配置了業(yè)務(wù)網(wǎng)段的靜態(tài)路由，業(yè)務(wù)下行流量走向?yàn)镻E 03→P 02→PE 02→CE 02，上行流量和下行流量路徑不一致，即形成非對稱路由。

當(dāng)鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)新增邊緣路由器PE時，設(shè)備間Metric值同樣會發(fā)生變化，設(shè)備會重新進(jìn)行路由選擇，最終產(chǎn)生非對稱路由。如圖3所示，當(dāng)PE 03與P 01之間新增PE 04設(shè)備后，PE 03設(shè)備優(yōu)先選擇PE 02設(shè)備發(fā)布的路由加入本地VPN路由表，業(yè)務(wù)下行回程流量則通過PE 03→P 02→PE 02→CE 02，由于用戶側(cè)CE設(shè)備無法感知數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的變化，上行流量為CE 01→PE 01→P 01→P 02→PE 03，上行流量和下行流量路徑不一致，形成非對稱路由。

圖1 鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)正常業(yè)務(wù)流量走向

圖2 數(shù)據(jù)通信網(wǎng)網(wǎng)互聯(lián)鏈路中斷導(dǎo)致非對稱路由

當(dāng)鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)PE設(shè)備和CE設(shè)備間存在非對稱路由時，PE設(shè)備和CE設(shè)備間防火墻設(shè)備的狀態(tài)檢測機(jī)制會引起業(yè)務(wù)中斷。以TCP（傳輸控制協(xié)議）業(yè)務(wù)流量為例，業(yè)務(wù)系統(tǒng)主機(jī)發(fā)送TCP SYN（同步序列編號）請求報(bào)文，經(jīng)過CE 01-Firewall 01-PE 01發(fā)送至對方服務(wù)器，但對方服務(wù)器響應(yīng)SYN+ACK（確認(rèn)）報(bào)文需要通過PE 02-Firewall 02-CE 02返回業(yè)務(wù)主機(jī)。由于Firewall 02開啟了TCP狀態(tài)檢測功能，只要檢查不到既有生成的會話表后，就對報(bào)文進(jìn)行丟棄，導(dǎo)致TCP三次握手無法正常建立，影響業(yè)務(wù)正常使用。

當(dāng)用戶側(cè)CE設(shè)備與防火墻設(shè)備間鏈路中斷時，VRRP協(xié)議觸發(fā)主備倒換，最終產(chǎn)生非對稱路由。如圖4所示，當(dāng)用戶側(cè)CE 01設(shè)備與Firewall 01設(shè)備間鏈路中斷時，CE 01設(shè)備變?yōu)閎ackup狀態(tài)，CE 02設(shè)備變?yōu)閙aster狀態(tài)，上行業(yè)務(wù)流量走向切換為CE 02→PE 02→P 02→PE 03。由于PE設(shè)備至CE設(shè)備間使用靜態(tài)路由協(xié)議，PE 01無法準(zhǔn)確感知鏈路變化，此時PE 01與防火墻01間鏈路狀態(tài)正常，靜態(tài)路由不會發(fā)生變化，PE 01正常向外發(fā)布BGP VPN路由下行流量走向?yàn)镻E 03→P 01→PE 01→CE 01，由于CE 01至Firewall 01互聯(lián)鏈路中斷，導(dǎo)致數(shù)據(jù)報(bào)文被丟棄。

2 優(yōu)化思路

為解決非對稱路由影響業(yè)務(wù)的問題，可采用以下優(yōu)化方案。

1）關(guān)閉防火墻狀態(tài)檢測功能，使防火墻對SYN+ACK、icmp reply（Internet控制報(bào)文協(xié)議延時）等非首包的回應(yīng)報(bào)文也能創(chuàng)建會話表，正常轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)流量。此種方式僅能用于解決鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)變化后，非對稱路由導(dǎo)致的業(yè)務(wù)中斷。

2）利用BFD（雙向轉(zhuǎn)發(fā)檢測技術(shù)）、NQA（網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量探測技術(shù)）對互聯(lián)鏈路進(jìn)行檢測，并綁定靜態(tài)路由［6］。當(dāng)鏈路中斷后，BFD、NQA會探測失效，從而聯(lián)動PE路由器靜態(tài)路由失效。該方式僅能解決用戶側(cè)CE設(shè)備至防火墻鏈路中斷后，形成非對稱路由導(dǎo)致的業(yè)務(wù)中斷。

3）采用外部邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議（EBGP）替代PE至CE設(shè)備間靜態(tài)路由協(xié)議［7］。利用EBGP協(xié)議的鄰居狀態(tài)檢測機(jī)制，可以自動檢測故障狀態(tài)下鄰居關(guān)系，并自動撤銷相關(guān)業(yè)務(wù)路由，可解決用戶側(cè)CE設(shè)備至防火墻鏈路中斷后，形成非對稱路由導(dǎo)致的業(yè)務(wù)中斷；還可以利用EBGP協(xié)議中多出口區(qū)分（MED）屬性，替代IS-IS協(xié)議下Metric參數(shù)值進(jìn)行路由選路，解決鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)變化后，非對稱路由導(dǎo)致的業(yè)務(wù)中斷。

圖3 數(shù)據(jù)通信網(wǎng)新增PE設(shè)備導(dǎo)致非對稱路由

圖4 用戶側(cè)CE設(shè)備與防火墻互聯(lián)鏈路中斷導(dǎo)致非對稱路由

3 優(yōu)化實(shí)踐

將PE-CE設(shè)備間路由協(xié)議改為EBGP協(xié)議，在CE 01設(shè)備邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議（BGP）進(jìn)程里配置MED屬性為100，在CE 02設(shè)備BGP協(xié)議進(jìn)程里配置MED屬性為200。此時PE 01、PE 02設(shè)備將攜帶不同MED屬性的MPLS/BGP VPN路由。對端PE 03設(shè)備會優(yōu)先根據(jù)MED值來進(jìn)行選路，而不再對IS-IS協(xié)議Metric值進(jìn)行比較，最終選擇將MED值較小的PE 01發(fā)布的路由加入路由表。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化時，路由MED值屬性不會發(fā)生變化，下行業(yè)務(wù)流量走向?yàn)镻E 03→PE 01→CE 01，與上行流量走向一致，解決了鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)非對稱路由導(dǎo)致的業(yè)務(wù)中斷問題。

EBGP協(xié)議鄰居狀態(tài)檢測默認(rèn)時長為180 s，BFD協(xié)議檢測默認(rèn)時長為300 ms，EBGP協(xié)議檢測周期較長。同時在PE設(shè)備和CE設(shè)備的BGP進(jìn)程下啟用BFD功能。以圖4為例，BFD協(xié)議檢測到PE 01與CE 01設(shè)備間狀態(tài)異常后，PE 01將與CE 01的BGP鄰居狀態(tài)變?yōu)榭臻e（idle）狀態(tài)，同時向全網(wǎng)發(fā)布撤銷相關(guān)VPN業(yè)務(wù)路由的信息。PE 03收到該信息后，從本地VPN路由表里刪除PE 01發(fā)布的VPN業(yè)務(wù)路由，切換到由PE 02設(shè)備發(fā)布的VPN業(yè)務(wù)路由［8］。下行業(yè)務(wù)流量走向變?yōu)镻E 03→PE 02→CE 02，上行業(yè)務(wù)流量為CE 02→PE 02→PE 03，上下行業(yè)務(wù)流量保持一致，解決了用戶側(cè)CE設(shè)備至防火墻鏈路中斷后，非對稱路由導(dǎo)致的業(yè)務(wù)中斷。

4 結(jié)論

本文主要針對鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)PE-CE互聯(lián)鏈路增加防火墻組網(wǎng)方式下，非對稱路由的優(yōu)化，使用EBGP+BFD的方式，解決非對稱路由產(chǎn)生的來回路徑不一致問題，既能達(dá)到安全防火墻的應(yīng)用效果，又能快速的進(jìn)行冗余倒換，減少故障發(fā)生。建議逐步對現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改造，保障鐵路承載業(yè)務(wù)系統(tǒng)更加安全、可靠、高效。