ISSU過程中的不兼容升級

山東勞動(dòng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系　杜秀芳

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ISSU過程中的不兼容升級

山東勞動(dòng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系杜秀芳

【摘要】本文介紹了一種高端路由器的在服務(wù)升級方案，同時(shí)還提出了消息不兼容場景下的在服務(wù)升級方案，使運(yùn)營商客戶在版本升級切換時(shí)的業(yè)務(wù)中斷時(shí)間盡可能短，具有商業(yè)價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】ISSU；高可靠性；路由器；軟件升級

0　引言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，4K、LTE等技術(shù)對帶寬的要求越來越高，廣大的網(wǎng)絡(luò)用戶對帶寬的需求量越來越大，運(yùn)行商為了滿足用戶的需要，從而進(jìn)行新一輪的技術(shù)革新和設(shè)備升級，以滿足帶寬和新業(yè)務(wù)特性的需求。在更新設(shè)備軟件的方式上，越來越多的公司都開始支持ISSU技術(shù)（In-Service Software Upgrade）,利用ISSU技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在軟件升級的過程中，大大減少業(yè)務(wù)的恢復(fù)時(shí)間，提高設(shè)備的無故障運(yùn)行時(shí)間，從而降低了升級的成本，提高了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的可靠性。本文涉及的設(shè)備形態(tài)主要是路由器。

1　基于熱備份技術(shù)的ISSU實(shí)現(xiàn)

1.1HA技術(shù)

不間斷業(yè)務(wù)升級技術(shù)是在高可靠性技術(shù)（HA）的技術(shù)上發(fā)展起來的，不得不提一下HA技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。如圖1所示，在硬件上，HA技術(shù)需要系統(tǒng)有兩塊主控板，用于做1:1的互為備份，處理實(shí)際路由事務(wù)和轉(zhuǎn)發(fā)的板子稱為主板（Master），處于備份等待并且可以隨時(shí)接管主板工作的板子稱為備板（Slave）。在主板上部署的進(jìn)程稱為主進(jìn)程，在備板上部署的進(jìn)程稱為備進(jìn)程。主進(jìn)程和備進(jìn)程是一一對應(yīng)的，每對主備進(jìn)程稱為一個(gè)保護(hù)組。HA技術(shù)解決的是主備進(jìn)程和主備板之間的可靠性問題，主要技術(shù)點(diǎn)包括系統(tǒng)批量備份、系統(tǒng)實(shí)時(shí)備份和主備倒換技術(shù)。

圖1　HA原理

（1）批量備份

系統(tǒng)批量備份的過程如圖2所示，在整個(gè)設(shè)備啟動(dòng)之初，主板先啟動(dòng)，備板向主板注冊后，開始做第一次主備板之間的數(shù)據(jù)同步，具體是通過每個(gè)保護(hù)組之中的主備進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)同步來完成。目的是批量獲取主板的配置數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，以便能夠隨時(shí)恢復(fù)主板的業(yè)務(wù)。批量備份的發(fā)起者是HA管理模塊，HA管理模塊通知主板“備板已經(jīng)啟動(dòng)成功，可以發(fā)起批量備份”，然后主板HA管理模塊通知他說管理的各個(gè)業(yè)務(wù)模塊向自己的備模塊發(fā)起備份，所有模塊備份結(jié)束后，HA管理模塊認(rèn)為整個(gè)批量備份過程結(jié)束，記錄狀態(tài)。批量備份的實(shí)現(xiàn)是通過主板各個(gè)進(jìn)程與備板各個(gè)進(jìn)程的消息實(shí)現(xiàn)的。

圖2　批量備份過程

（2）實(shí)時(shí)備份

批量備份完成后，所有主進(jìn)程進(jìn)入運(yùn)行態(tài)，處于運(yùn)行態(tài)的主進(jìn)程還是會(huì)不斷處理業(yè)務(wù)（路由更新、拓?fù)渥兓龋瑐溥M(jìn)程的數(shù)據(jù)還是會(huì)與主進(jìn)程不同。如果主進(jìn)程發(fā)生異常，那么備進(jìn)程升主后還是有一段時(shí)間需要恢復(fù)數(shù)據(jù)，而這個(gè)過程也是會(huì)影響業(yè)務(wù)處理的。為了減少這個(gè)時(shí)間，使設(shè)備盡快能恢復(fù)業(yè)務(wù)，備進(jìn)程需要經(jīng)常性的同步主進(jìn)程新生成的數(shù)據(jù)，這個(gè)過程稱為實(shí)時(shí)備份。實(shí)時(shí)備份是由業(yè)務(wù)的主進(jìn)程發(fā)起的，當(dāng)主進(jìn)程的狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)生變化的時(shí)候，會(huì)同時(shí)通知備進(jìn)程接收這部分新數(shù)據(jù)。這部分?jǐn)?shù)據(jù)的同步也是有主備進(jìn)程之間的消息通信完成的。

（3）主備倒換

當(dāng)主進(jìn)程發(fā)生異常的時(shí)候，可以通過主板重啟，同時(shí)備板所有進(jìn)程由備身份升為主身份完成業(yè)務(wù)的平滑切換，這個(gè)過程稱為主備倒換。

1.2ISSU實(shí)現(xiàn)過程

ISSU的完整過程包括上傳升級包、升級前環(huán)境檢查、運(yùn)行包替換、升級確認(rèn)四個(gè)過程。

（1）上傳升級包

這個(gè)過程中由用戶通過ftp協(xié)議上傳升級包到設(shè)備的存儲(chǔ)空間中，以便升級需要，這個(gè)過程需要確保主控板有足夠的空間。

（2）升級前環(huán)境檢查

升級前檢查為了檢測當(dāng)前運(yùn)行環(huán)境是否滿足升級條件，包括主備板的磁盤空間、各個(gè)接口板的磁盤空間、CPU占用率、各個(gè)板子的內(nèi)存剩余空間。只有所有條件都滿足升級的最低標(biāo)準(zhǔn)才能正常進(jìn)行下一步的升級過程。

（3）運(yùn)行包替換

運(yùn)行包替換過程的目標(biāo)是真正把系統(tǒng)中運(yùn)行的進(jìn)程以新版本的程序啟動(dòng)，這個(gè)過程分為主控板替換過程和接口板替換過程，先進(jìn)行主控板的替換過程。具體過程如下：

第一步：將升級包解壓縮（這個(gè)時(shí)候升級包只在主控板磁盤上）；

第二步：將解壓縮后的軟件實(shí)體（包括可運(yùn)行程序、腳本和lib等）分發(fā)到各個(gè)單板；

第三步：主控板的備板以升級包中的程序啟動(dòng)，啟動(dòng)完成后，進(jìn)行主備程序之間的數(shù)據(jù)備份，進(jìn)行主備倒換；

第四步：接口板以新版本程序創(chuàng)建備進(jìn)程，進(jìn)行主備程序之間的數(shù)據(jù)備份，然后進(jìn)行主備倒換，至此，完成整個(gè)系統(tǒng)的主用平面的程序替換，也就是說功能上整個(gè)設(shè)備已經(jīng)替換成新版本的程序，后面的就是驗(yàn)證過程。

（4）升級確認(rèn)

該過程的是目的是驗(yàn)證升級的結(jié)果，在這個(gè)過程中還是可以回退到老版本的程序。升級確認(rèn)過程中，需要查看設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、轉(zhuǎn)發(fā)和路由狀態(tài)、CPU和各個(gè)業(yè)務(wù)功能是否正常，如果一切都正常，那么就可以確認(rèn)升級。確認(rèn)升級之后，系統(tǒng)的備平面也會(huì)整體替換成新版本的程序，從而整個(gè)設(shè)備的所有程序都完成了新版本軟件的替換。

2　ISSU技術(shù)面臨的問題

基于HA技術(shù)實(shí)現(xiàn)的ISSU的完成依賴于HA技術(shù)的可靠，HA技術(shù)的主要環(huán)節(jié)就是數(shù)據(jù)備份，而數(shù)據(jù)備份能否成功的關(guān)鍵點(diǎn)是主備模塊之間的備份消息能否正確處理。參考上面運(yùn)行包替換過程中提到的第三步，在備板程序以新版本啟動(dòng)后，開始的備份過程發(fā)生的主備雙方的版本分別是：主程序舊版本，備程序新版本，所以這個(gè)通信過程就是兩個(gè)版本之間的通信。一般情況下，版本升級的周期是半年以上（通常是一年到兩年），版本之間總會(huì)有一定的差距，這就會(huì)導(dǎo)致新版本的程序在收取老版本消息的時(shí)候處理出錯(cuò)。

舉例來說，如圖3所示，新版本數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，數(shù)據(jù)報(bào)文新版本相對舊版本增加一個(gè)c字段，并且c字段加入的位置放在了a和b之間，這會(huì)導(dǎo)致新版本在解析數(shù)據(jù)包時(shí)，會(huì)錯(cuò)誤的把原來報(bào)文中的b當(dāng)成c來解析，從而導(dǎo)致業(yè)務(wù)邏輯的錯(cuò)誤。這種由新舊版本消息格式變更導(dǎo)致的消息無法正確解析稱作消息不兼容，把新版本程序?qū)τ谂f版本程序的這種差異稱作不兼容變更。當(dāng)在ISSU過程里面的新舊雙方發(fā)生了消息不兼容，就是新啟動(dòng)的備程序從舊的主程序那邊獲取了錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)（通過備份消息），會(huì)導(dǎo)致業(yè)務(wù)本身的錯(cuò)誤，最終導(dǎo)致整個(gè)ISSU過程失敗。ISSU最容易發(fā)生的失敗就在于此。

圖3　消息格式變化

3　消息不兼容下的ISSU解決方案

要解決消息不兼容的問題，分為兩個(gè)部分：一是基于運(yùn)行程序的版本號(hào)管理，從而能夠在ISSU開始之前就能夠判斷出該次升級的ISSU過程中是否包含著消息不兼容的程序；二是支持在消息不兼容的場景下進(jìn)行ISSU。

3.1基于運(yùn)行程序的版本號(hào)管理

在大包版本的基礎(chǔ)上，對程序本身的文件進(jìn)行版本編號(hào)管理，采用兩級版本號(hào)管理：X.Y。其中X 和Y為整數(shù)，當(dāng)版本變化時(shí)，X和Y的數(shù)值依次增大。規(guī)定當(dāng)發(fā)生不兼容變更時(shí)，X增加1，當(dāng)版本的程序的變化與之前的版本兼容時(shí)，Y增加1。

舉例來說，對于程序librm.so，初始版本為1.0，發(fā)生了三次版本變更，第一次變更為兼容變更，第二次變更為不兼容變更，第三次變更為兼容變更，則這三次該程序的版本號(hào)分別為：librm.so 1.1，librm.so 2.0，librm.so 2.1。

3.2支持消息不兼容下的ISSU

當(dāng)存在消息不兼容的程序時(shí)，采用不備份的方式完成主備程序替換的過程。ISSU過程中的運(yùn)行包替換過程改進(jìn)為如下步驟：

第一步：將升級包解壓縮（這個(gè)時(shí)候升級包只在主控板磁盤上）；

第二步：將解壓縮后的軟件實(shí)體（包括可運(yùn)行程序、腳本和lib等）分發(fā)到各個(gè)單板；

第三步：主控板的備板以升級包中的程序啟動(dòng)，啟動(dòng)完成到初始化階段完成后，不進(jìn)行備份，以新版本程序復(fù)位不兼容的主進(jìn)程。對于兼容的進(jìn)程還是按照之前的方式操作，讓不兼容造成的影響降低到進(jìn)程級別；

第四步：接口板以新版本程序啟動(dòng)程序。

在這種方式下的實(shí)現(xiàn)的ISSU是有損的，但是也能保證以最小的損失進(jìn)行。

4　結(jié)束語

本文介紹的技術(shù)方案解決了路由器ISSU升級中，消息不兼容場景下的升級問題，縮短了業(yè)務(wù)中斷的時(shí)間，能夠給電信客服帶來實(shí)際的商業(yè)價(jià)值。

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杜秀芳（1982—），女，碩士研究生，初級職稱，山東勞動(dòng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系專任教師。

作者簡介：