一種新型集群路由器智能管理技術(shù)的研究﹡

吳 捷， 施彥媛

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041)

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)寬帶業(yè)務(wù)的高速發(fā)展和業(yè)界ALL-IP化的大勢(shì)所趨，IP 網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和視頻等多業(yè)務(wù)的統(tǒng)一承載。綜合業(yè)務(wù)的多種特性以及日益激增的網(wǎng)絡(luò)流量又從交換容量、線路帶寬、靈活擴(kuò)展等方面對(duì)路由交換設(shè)備提出了更高的要求， 尤其是核心路由器必須具備良好的擴(kuò)展性，才能適應(yīng)當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展的需求。

為更好的解決快速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)給傳統(tǒng)路由交換設(shè)備帶來(lái)的挑戰(zhàn)，業(yè)界越來(lái)越多的將目光聚焦在集群路由器技術(shù)上。集群路由器技術(shù)是將多臺(tái)路由器互聯(lián)起來(lái)，共同組成一個(gè)多平面的路由轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)，形成一套邏輯上的單一路由器，支持集中化管理并使得集群路由器內(nèi)部各路由器能很好的協(xié)同工作和并行轉(zhuǎn)發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)集群路由器轉(zhuǎn)發(fā)容量的平滑升級(jí)，突破單機(jī)箱路由設(shè)備在交換容量、功耗、散熱等方面的限制，以實(shí)現(xiàn)容量更大、組織靈活的路由交換系統(tǒng)。

文中重點(diǎn)研究了集群路由器體系架構(gòu)中的管理技術(shù)，提出一種新型的邏輯精簡(jiǎn)、可擴(kuò)展的技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)集群路由器框架中多節(jié)點(diǎn)的抽象、虛擬化及統(tǒng)一管理，為上層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序提供扁平化的集群路由器網(wǎng)絡(luò)接口視圖。最后通過(guò) Linux開(kāi)源軟件搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了技術(shù)方案的可行性。

1 集群路由器管理概述

假設(shè)一個(gè)集群路由器內(nèi)有6個(gè)內(nèi)部路由器，其中兩個(gè)分別為主、備控制路由器，由主控制路由器負(fù)責(zé)全部網(wǎng)絡(luò)協(xié)議報(bào)文的收發(fā)處理及外部接口的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)，備控制路由器與其他4個(gè)邊緣路由器僅負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及業(yè)務(wù)報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)。

集群路由器智能管理架構(gòu)如圖1所示。

圖1 集群路由器智能管理架構(gòu)示意

首先集群路由器系統(tǒng)根據(jù)策略配置指定出初始主控制路由器與備控制路由器，主控制路由器負(fù)責(zé)完成所有內(nèi)部路由器的統(tǒng)一編號(hào)及所有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的本地處理等。

在收到主控制路由器上線通知后，邊緣路由器將封裝報(bào)文將其接口集等信息發(fā)送給主控制路由器，完成將分布式的集群路由器結(jié)構(gòu)抽象為集中式單一路由器的工作。主控制路由器基于統(tǒng)一編址的邏輯接口等信息將進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議收發(fā)處理及轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)下發(fā)，最終實(shí)現(xiàn)集群路由器的統(tǒng)一管理及組網(wǎng)互通。

為增強(qiáng)集群路由器系統(tǒng)的抗毀性，主控制路由器支持在管理策略配置下自動(dòng)在備控制路由器當(dāng)機(jī)時(shí)，完成新的備控制路由器的指派以及全局信息同步。同時(shí)結(jié)合 GR（Graceful Restart）、NSF（Non-stop Forwarding）等技術(shù)共同完成集群路由系統(tǒng)的容災(zāi)抗毀設(shè)計(jì)。

2 集群路由器管理的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 集群路由系統(tǒng)上電及全局信息收集

集群路由器系統(tǒng)上電后，各內(nèi)部路由器均將啟動(dòng)上電通知定時(shí)器定時(shí)發(fā)送攜帶本設(shè)備信息的集群路由器上線通告報(bào)文，目的MAC設(shè)為廣播地址。其中由管理策略配置指定的初始的主、備控制路由器發(fā)出的上電通知報(bào)文中將攜帶指示標(biāo)志以明確標(biāo)識(shí)自己的身份。

初始主控制路由器在收到其他內(nèi)部路由器的上電通告報(bào)文后，將發(fā)送上電通告應(yīng)答報(bào)文，并存儲(chǔ)本次收到通告報(bào)文源內(nèi)部路由器的 MAC地址等設(shè)備信息，同時(shí)啟動(dòng)保活檢測(cè)定時(shí)器等待接收此設(shè)備的定時(shí)保活宣告。若超過(guò)一定時(shí)間收不到此設(shè)備的保活宣告，則控制路由器認(rèn)為對(duì)應(yīng)內(nèi)部路由器已下線，將刪除本地對(duì)應(yīng)此內(nèi)部路由器信息并同步信息給本集群路由系統(tǒng)內(nèi)所有其他路由器，及時(shí)為集群路由器系統(tǒng)刪除相應(yīng)全局故障接口。

初始主控制路由器在收到初始備控制路由器的上電通告后，將自動(dòng)發(fā)起與備控制路由器之間的數(shù)據(jù)同步TCP連接建立，后續(xù)支持通過(guò)此TCP連接完成相應(yīng)配置、接口集信息的同步，同時(shí)對(duì)收到的保活宣告進(jìn)行應(yīng)答消息發(fā)送。

非控制路由器的其他內(nèi)部路由器在收到主控制路由器的通告應(yīng)答報(bào)文后，將及時(shí)停止發(fā)送上電通告報(bào)文，同時(shí)啟動(dòng)保活探測(cè)定時(shí)器，定時(shí)向、備主控制路由器發(fā)送保活宣告信息，等待接收控制路由器的保活宣告應(yīng)答。若超過(guò)一定時(shí)間路由器同時(shí)未收到主、備控制路由器的保活探測(cè)應(yīng)答，則認(rèn)為當(dāng)前集群系統(tǒng)的控制路由器故障，將重新啟動(dòng)上電通知定時(shí)器，重新進(jìn)行上電通知消息的發(fā)送。

2.2 網(wǎng)絡(luò)接口全局映射與統(tǒng)一編碼

控制路由器在獲知新的內(nèi)部路由器上線信息后，將為此路由器分配獨(dú)立的路由器編號(hào)，通過(guò)內(nèi)部交換的MAC地址將編號(hào)信息發(fā)送到此路由器。

路由器收到編號(hào)信息后，首先完成路由器內(nèi)部接口板端口數(shù)目與其尋址關(guān)鍵字（常見(jiàn)的以太網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)即是以MAC為最終的尋址關(guān)鍵字）的創(chuàng)建，得到路由器各外部接口對(duì)應(yīng)的內(nèi)部尋址MAC。

各邊緣路由器將路由器編號(hào)、接口板號(hào)、端口號(hào)及尋址MAC綁定等信息主報(bào)給控制路由器，控制路由器的集群管理解析處理上報(bào)的邊緣路由器接口信息，以扁平化的方式統(tǒng)一編碼創(chuàng)建獨(dú)立的邏輯接口[1]。

集群路由器全局映射示意具體如圖2所示。

圖2 集群路由器全局映射示意

控制路由器在建立全局映射邏輯接口時(shí)，為每個(gè)邏輯接口分配互不相同的接口名稱，同時(shí)建立邏輯接口與路由器編號(hào)、接口板號(hào)、端口號(hào)及尋址MAC綁定的映射關(guān)系[2]，建立的全局映射統(tǒng)一編址邏輯表項(xiàng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在網(wǎng)絡(luò)接口的全局虛擬映射與邏輯接口建立完成后，控制路由器通過(guò)與集群路由系統(tǒng)中核心交換設(shè)備的控制接口，將尋址MAC與邊緣路由器的二層綁定關(guān)系下發(fā)到交換設(shè)備建立其二層轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)。

圖3 集群路由器邏輯端口物理映射關(guān)系示意

全局虛擬映射為控制路由器的各類路由協(xié)議屏蔽分布式的集群路由器內(nèi)部互聯(lián)關(guān)系，呈現(xiàn)在應(yīng)用面前的是一個(gè)模擬單路由器和扁平化的邏輯接口集，路由協(xié)議等上層應(yīng)用可按常規(guī)路由設(shè)備的模式完成路由計(jì)算等工作。

2.3 控制路由器雙機(jī)熱備

在集群路由器管理技術(shù)中，為避免單控制路由器故障后導(dǎo)致的集群路由器網(wǎng)絡(luò)功能不可用及自恢復(fù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)問(wèn)題，可通過(guò)支持控制路由器的主備冗余機(jī)制來(lái)予以解決[3]。

在 2.1節(jié)所說(shuō)初始主、備控制路由器上電完成后，主、備控制路由器通過(guò)TCP連接完成全局信息的同步，并通過(guò)保活探測(cè)實(shí)時(shí)獲知彼此的工作狀態(tài)。

在主控制路由器通過(guò)保活檢測(cè)發(fā)現(xiàn)備控制路由器當(dāng)機(jī)時(shí)，可通過(guò)管理策略配置或隨機(jī)選出新的備控制路由器，隨后同樣進(jìn)行新的主備控制路由器間TCP連接的建立與全局信息等同步。

在主控制路由器出現(xiàn)一般故障或異常情況不宜繼續(xù)工作時(shí)可通過(guò)GR或NSF等技術(shù)確保網(wǎng)絡(luò)不中斷情況下觸發(fā)主備控制路由器轉(zhuǎn)換，并由此控制路由器選出新的備控制路由器，同時(shí)完成相應(yīng)的 TCP連接建立與數(shù)據(jù)同步。

最后即使在主控制路由器突發(fā)嚴(yán)重故障情況下，不能做到支持 GR等技術(shù)的應(yīng)用，從而無(wú)法保障網(wǎng)絡(luò)不中斷級(jí)別的主備切換，但實(shí)時(shí)存在的備控制路由器也能在最快時(shí)間內(nèi)完成網(wǎng)絡(luò)路由的重新收斂，將網(wǎng)絡(luò)損壞影響程度降到最低。

2.4 集群路由器轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)管理

基于全局虛擬映射和統(tǒng)一編碼，控制路由器上運(yùn)行的的各類路由協(xié)議完成協(xié)議交換后，將更新路由表項(xiàng)下發(fā)給集群路由器管理，集群路由器管理將邏輯與物理尋址映射關(guān)系攜帶在新的路由表項(xiàng)消息中發(fā)送給各邊緣路由器，最終完成集群路由器系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)表整機(jī)同步，實(shí)現(xiàn)集群路由器的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能。

3 仿真驗(yàn)證

根據(jù)上述方案設(shè)計(jì)，搭建了驗(yàn)證平臺(tái)以測(cè)試技術(shù)方案的可行性。

通過(guò)在曙光服務(wù)器上安裝VmVare創(chuàng)建了7臺(tái)Linux虛擬機(jī)，將2臺(tái)虛擬機(jī)作為測(cè)試終端，1臺(tái)虛擬機(jī)上安裝雙網(wǎng)卡并運(yùn)行開(kāi)源 Zebra路由軟件模擬傳統(tǒng)路由器，4臺(tái)虛擬機(jī)上創(chuàng)建了雙網(wǎng)卡作為集群路由器驗(yàn)證平臺(tái)并安裝了集群路由器管理軟件與開(kāi)源Zebra路由軟件，完成集群路由器控制節(jié)點(diǎn)指派、全局虛擬編址等文中所述技術(shù)，最后由 Zebra提供的OSPF路由協(xié)議完成4臺(tái)節(jié)點(diǎn)組建的集群路由器與虛擬標(biāo)準(zhǔn)路由器的路由交換，最終實(shí)現(xiàn)了邊緣兩臺(tái)模擬PC終端的互通。

測(cè)試拓?fù)鋱D如圖4所示。

圖4 集群路由器仿真拓?fù)涫疽?/p>

4 結(jié)語(yǔ)

文中研究了一種集群路由器管理框架軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，技術(shù)體制本身具備一定的通用性和實(shí)用性，可以達(dá)到對(duì)現(xiàn)有路由設(shè)備控制軟件基本無(wú)感的情況下，僅作少量修改和軟件模塊的加入即可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)路由設(shè)備向集群路由器系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，通過(guò)仿真網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的驗(yàn)證證明了方案的可行性[4-6]。

文中下一步將針對(duì)集群路由器管理架構(gòu)的可靠性、可管性及集群路由器系統(tǒng)內(nèi)部的負(fù)載均衡能力等做繼續(xù)的深入研究，以期早日完成技術(shù)實(shí)用化工作。

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