高可靠性通信設備主備倒換軟件實現方法

2013-07-25 07:41:16黃婷熙潘濤濤

電視技術 2013年11期

李潔，黃婷熙，潘濤濤

（武漢郵電科學研究院；武漢烽火網絡有限責任公司，湖北武漢 430074）

現在的通信網絡中，對于大容量的機架式通信設備的業務可靠性、穩定性有很高的要求，提高其設備運行的穩定性、可靠性，是機架式通信設備必須解決的重要課題。主備倒換技術是提高通信設備可運維性的重要解決方案之一。本文提出一種私有的高可靠性通信設備主備倒換軟件實現方式，優化了主備倒換流程，有效提高了主備倒換數據的準確性，并縮短了主備倒換的時間。

新主備倒換的方式，從以下兩點進行改進：1）改變了倒換的邏輯，將主備控制卡的數據同步過程修改為實時同步，使主備控制卡的狀態隨時保持一致；2）建立一條私有的二層協議管理通道，在用套接字保證主備數據傳遞準確性的同時，獨立的管理通道也保證了主備狀態倒換的準確性和及時性。前者是邏輯的改進，后者是通信通道的改進。

1 主備倒換新方式

1.1 軟件實現原理

新的實現方式是將主備倒換過程中的主備數據同步和倒換的過程分離開來，在主備倒換時只需轉變主備控制卡的卡狀態即可。其實現前提是主備控制卡的數據和狀態是實時同步的。下面就介紹其軟件實現原理。

由協議HA的狀態機維護主、備控制卡狀態，它們之間的通信不同于控制卡與其業務線卡之間的通信方式。HA協議提供兩條相互獨立的主備卡控制卡通道：一條為主備卡之間的數據傳輸通道，將TCP運用在數據鏈路層，通過套接字傳送數據；另一條為主備控制卡之間的HA控制信息傳送通道，建立在數據鏈路層上，運用一種可靠的點到點的傳輸方法，可以提供QoS保障。如圖1所示。

圖1 HA通道設計

1.2 主備數據通道

數據通道采用全雙工方式，采用類似TCP協議的TCP2來傳輸，擁有TCP通信的特有超時重傳和捎帶確認機制，保證主備控制卡傳送數據的準確性。IP2通信協議中地址分別使用主備雙方的帶外MAC地址取代IP地址，并通過三次握手的方式建立連接。

控制通道是由私有的可靠通信協議HA提供的。它是一條獨立的專門用來傳輸HA控制報文的通道。用來防止在數據傳輸過程中，系統正常的業務數據通信影響控制報文的通信，避免數據擁塞致使控制報文丟失或者延時后導致HA狀態機發生錯誤，從而保證主備狀態準確及時地切換。

2 主備數據同步

基于HA狀態機，主備數據同步分兩種情況，一種是實時同步，一種是批量同步。

1）數據的實時同步

主備數據的實時同步指的是線卡在業務進行中，向主控制卡發送信息。主控制卡會及時使用套接字轉發數據到備用線卡。收到備控制卡回復后，確認備控制線卡收到數據，才會響應業務線卡。而備用控制卡會和主控制進行同樣的操作，只是這些操作并不下發給線卡。這樣可以有效地提高同步的效率，保證主備控制卡的數據和狀態的一致，做到真正的無縫倒換。

2）數據的批量同步

數據的批量同步發生在控制卡插入系統初期。主控制卡上的配置文件同步到備控制卡的過程，此時備控制卡只處理來自主控制卡的報文，其他的控制報文全部丟棄，并且從軟件上關閉了備控制卡向業務卡發送數據的通道。該過程數據同樣是使用套接字在主備控制線卡間的獨立通道上進行傳輸，保證了數據的正確性。

3 主備倒換

本節從主備倒換條件、主備倒換流程、主備競爭、異常倒換處理方式這4方面來論述。

3.1 主備倒換條件

沒有了數據同步，整個步驟的主備倒換過程簡單了很多，只要滿足主備倒換的條件就可以進行正常的倒換，觸發條件包括：1）后臺的命令發起的倒換；2）前臺按鍵倒換；3）網口故障觸發的倒換；4）插拔卡引發的倒換[1-3]。

3.2 主備倒換流程

經過以上論述可知，在基于HA的倒換系統里，關鍵步驟——數據同步過程是在倒換步驟外進行的，倒換的步驟僅剩下轉換主備控制卡標識。

在系統啟動初期，會創建一條控制卡之間消息交互的通道。在滿足倒換條件后，主控制卡會向備控制卡發起倒換消息，并會通知業務線卡和軟件層，且軟件層逐層向上層應用發出倒換通知。最后主控制卡轉換自己的狀態到備控制卡，同時備控制卡轉換自己的狀態到主控制卡，并恢復正常工作。

3.3 主備倒換狀態機

協議規定，控制卡在系統的狀態有3種，分別為主控制卡狀態、備控制卡狀態和候選卡狀態。在控制卡插入系統的初期，都為候選卡狀態，此狀態沒有控制系統的權限。并且協議規定系統正常狀態下的任何時刻只允許一個控制卡控制系統，將這個卡稱為主控制卡，其余的控制卡稱為備份控制卡。控制卡狀態轉移圖如圖2所示。

圖2 控制卡狀態轉移圖

當一塊控制卡插入系統并啟動后，狀態為候選卡。首先向控制通道廣播發送hello消息，通告自己的存在，如果系統中已經存在主控制卡，那么將對這個卡發送hello reply，這塊新插入的控制卡收到該消息后就將自己設置為備份控制卡。

如果插入的控制卡發送3次hello消息后，沒有收到來自主控制卡的hello reply，也沒有收到主控制卡發送的周期性的hello消息，那么這塊控制卡就將自己的角色設置為主控制卡控制系統，并周期性地在控制卡使用的控制通道上廣播hello消息。

如果系統上電時就具備兩塊控制卡，由于初始時，兩塊控制卡都不是主控卡，通過發送hello包通信，知道了對方的存在。此時需要競爭選舉出主控制卡，選舉原則是根據槽位大小，選槽位號小的控制卡為主控制卡，發送hello reply包，通知另一塊候選卡狀態改變為備控制卡，然后在主控制卡上執行正常工作。此時備指控卡只處理來自主控制卡的報文，并且關閉備控制卡數據轉發的通道。

當控制卡成為備份控制卡后，也需要周期地發送hello消息給主控制卡以通告自己的存在。主控制卡收到備份控制卡發送的hello消息，不需要回復hello reply。如果主控制卡在一定時間內接收不到備份控制卡的hello消息，就認為備份控制卡已經工作不正常或者不存在。

如果主控制卡出現故障而沒有周期性地發送hello消息，當備份控制卡在設定時間內沒有接收到主控制卡的hello消息時，備份控制卡就將變為主控制卡。這樣的協商方式，即使在控制卡之間通道故障時，也不會出現雙備控制卡，系統無管理的現象[4]。

如果控制卡之間通道故障，出現雙主控現象。在通道恢復后，主控制卡收到hello消息時，發現hello消息的角色也是主控制卡，就會進行雙主控卡的選舉。若自己的槽位號比較小，那么發送hello reply包通知另一塊主控制卡狀態改變為備控制卡，若自己的槽位號比對方大，那么設置自己的角色為備份控制卡[3]。