城域網(wǎng)多鏈路帶寬測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃錦燦陸明典*戴春容杜小洪黃先香白瑪多吉

（1.佛山市氣象局，廣東 佛山 528000；2.那曲班戈縣氣象局，西藏 那曲 852000）

1 引言

廣東省氣象局已經(jīng)完成了市縣氣象業(yè)務(wù)通訊系統(tǒng)的城域網(wǎng)雙鏈路互備建設(shè)，在市局端的兩臺(tái)MSR5040路由器上利用BDF、NQA的技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩條鏈路在發(fā)生故障以后，把業(yè)務(wù)自動(dòng)切換到另外一條鏈路上，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)不中斷的應(yīng)用效果[1]，該模型典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)淙鐖D1所示。兩條鏈路通訊正常時(shí)，核心業(yè)務(wù)通過(guò)主干鏈路進(jìn)行傳輸，視頻會(huì)商業(yè)務(wù)通過(guò)備份鏈路進(jìn)行傳輸[2]；當(dāng)主干鏈路故障時(shí)，NQA檢測(cè)到主干鏈路的網(wǎng)關(guān)不可達(dá)，路由器Track聯(lián)動(dòng)模塊將業(yè)務(wù)切換到備份鏈路，從而實(shí)現(xiàn)雙鏈路的主備自動(dòng)切換。

圖1 市縣氣象業(yè)務(wù)通信系統(tǒng)城域網(wǎng)拓?fù)鋱D

由于策略規(guī)則的原因，在當(dāng)前應(yīng)用環(huán)境下，要實(shí)現(xiàn)兩條鏈路的帶寬測(cè)量，需要先對(duì)主干鏈路進(jìn)行帶寬測(cè)量，然后斷開(kāi)主干鏈路，將所有業(yè)務(wù)遷移到備份鏈路，再進(jìn)行帶寬測(cè)量。斷開(kāi)主干鏈路需要登錄路由器禁用端口，或者采取插拔網(wǎng)線或運(yùn)營(yíng)商光纖的方式。手工進(jìn)行該項(xiàng)操作有兩個(gè)弊端：有可能在操作期間影響到其他端口，甚至帶來(lái)接口模塊的物理?yè)p壞；其次，斷開(kāi)主干鏈路后，所有的通訊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到備份鏈路，而備份鏈路帶寬小，測(cè)量期間還要承載大量的數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大。為改進(jìn)上述測(cè)量流程，本文提出一種利用服務(wù)器的靜態(tài)路由功能以及對(duì)端路由器的策略路由功能[3]，實(shí)現(xiàn)主備等多鏈路的帶寬測(cè)量方案。

其中，s為文件大小，單位：比特，?t為傳輸時(shí)間差，單位：秒。

常用的TCP傳輸以FTP、HTTP、SOCKET為主，這幾種傳輸方式中以FTP最為簡(jiǎn)單。FTP即文件傳輸協(xié)議（File Transfer Protocol），它可以在網(wǎng)絡(luò)中傳輸多種類(lèi)型的文件，用戶通過(guò)一個(gè)支持FTP協(xié)議的客戶端程序，連接到遠(yuǎn)程FTP服務(wù)器，通過(guò)命令能夠?qū)崿F(xiàn)文件的上傳和下載[5]，本文采用FTP傳輸來(lái)進(jìn)行帶寬測(cè)試[6]。

2 多鏈路網(wǎng)絡(luò)路由分析

數(shù)據(jù)鏈路帶寬測(cè)量是利用網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備測(cè)量鏈路端到端的帶寬，端到端可用帶寬真實(shí)反映了某時(shí)段內(nèi)鏈路的實(shí)際通信能力，對(duì)提高網(wǎng)絡(luò)接入效率和提高服務(wù)質(zhì)量有著顯著的指導(dǎo)意義[4]。本文忽略傳輸期間背景損耗及測(cè)試期間其他業(yè)務(wù)的影響，將鏈路速率定義為：

根據(jù)圖1的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑤挏y(cè)量可由市局作為發(fā)起端，縣局作為接收端進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳和下載，從而計(jì)算端到端的傳輸速率。據(jù)此，在市局即發(fā)起端設(shè)置一臺(tái)服務(wù)器A運(yùn)行測(cè)量軟件，縣局即接收端設(shè)置一臺(tái)服務(wù)器B運(yùn)行FTP服務(wù)器軟件。令服務(wù)器A的IP地址為10.151.1.10；服務(wù)器B配置2個(gè)IP地址，設(shè)為10.151.16.10，10.151.16.11（子接口）。A和B都應(yīng)該盡量接近邊界路由器，這樣可以避免不必要的網(wǎng)絡(luò)損耗，對(duì)內(nèi)網(wǎng)的影響也能夠降至最低。

進(jìn)行主干鏈路帶寬測(cè)量時(shí)，A與B的IP地址10.151.16.10進(jìn)行通訊；接收端回程路由使用默認(rèn)配置，指定下一跳是1.1.1.1。往返數(shù)據(jù)包路由如下：

去程：10.151.1.10->10.151.1.250->1.1.1.1->1.1.1.2->10.151.16.1->10.151.16.10。

回程：10.151.16.10->10.151.16.1->1.1.1.2->1.1.1.1->10.151.1.250->10.151.1.10。

進(jìn)行備份鏈路帶寬測(cè)量時(shí)，A配置靜態(tài)路由，指定前往B的IP地址10.151.16.11，其下一跳網(wǎng)關(guān)是10.151.1.251；接收端路由器新增策略路由，指定回程的下一跳是2.1.1.1。往返數(shù)據(jù)包路由如下：

去程：10.151.1.10->10.151.1.251->2.1.1.1->2.1.1.2->10.151.16.1->10.151.16.11。

回程：10.151.16.11->10.151.16.1->2.1.1.2->2.1.1.1->10.151.1.251->10.151.1.10。

兩種情況的路由拓?fù)鋱D如圖2所示，若存在多條鏈路，也可按上述流程進(jìn)行路由分析。

圖2 兩種情況的路由拓?fù)鋱D

3 靜態(tài)路由

根據(jù)路由分析結(jié)果，服務(wù)器A需要通過(guò)靜態(tài)路由，指定去往10.151.16.11，下一跳是備份鏈路所連接的B路由器，在Linux操作系統(tǒng)上，使用route命令指定靜態(tài)路由：

route add-host 10.151.16.11 gw 10.151.1.251

如果有多條鏈路，則需要依次添加該鏈路所連接路由器網(wǎng)關(guān)的靜態(tài)路由。

4 策略路由

4.1 策略路由分析

通過(guò)路由分析可知，位于發(fā)起端的服務(wù)器A完成路由設(shè)置后，A去往接收端的服務(wù)器B已經(jīng)能夠按需走主干或者是備份鏈路。但是接收端的路由器，在未設(shè)置策略路由的情況下，默認(rèn)是走主干鏈路的，需要在縣局路由器上，編寫(xiě)規(guī)則，匹配源IP地址為10.151.16.11去往10.151.1.11的數(shù)據(jù)包，其下一跳是備份鏈路的網(wǎng)關(guān)。

4.2 策略路由配置

創(chuàng)建ACL規(guī)則：

[MSR3020]acl advanced 3000

[MSR3020-acl-adv-3000]rule permitip source 10.151.16.110 destination 10.151.1.100

創(chuàng)建策略路由：

[MSR3020]policy-based-route bandwidth_test node 10

[MSR3020-pbr-bandwidth_test-10]if-match acl 3000

[MSR3020-pbr-bandwidth_test-10]apply ip-address nexthop 2.1.1.1

在10.151.16.1所在的端口上，下發(fā)策略路由規(guī)則：

[MSR3020-Ethernet5/0]ip policy-based-route bandwidth_test

路由器配置完成后，通過(guò)執(zhí)行trace[7]命令跟蹤路由走向，其輸出結(jié)果與4.1的分析結(jié)論一致。

5 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

5.1 功能概述

設(shè)計(jì)輔助軟件，目的是簡(jiǎn)化日常的管理工作，將原先由人工完成的操作流程，交由軟件來(lái)定時(shí)執(zhí)行測(cè)量，以及記錄測(cè)量結(jié)果、進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。多鏈路帶寬測(cè)量系統(tǒng)使用Java語(yǔ)言進(jìn)行編碼，采用MySQL作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工具[8]，軟件系統(tǒng)主要功能包括鏈路信息的增刪改查、轄區(qū)信息增刪改查、計(jì)劃任務(wù)增刪改查、報(bào)表定義等。

5.2 主要模塊設(shè)計(jì)

(1)鏈路信息管理

鏈路信息是一個(gè)POJO類(lèi)，屬性分別為：鏈路名稱(chēng)，對(duì)應(yīng)的IP地址（服務(wù)器A據(jù)此編寫(xiě)靜態(tài)路由），F(xiàn)TP端口號(hào)，F(xiàn)TP登錄用戶名和密碼，用于測(cè)量的文件名。

(2)測(cè)量計(jì)劃任務(wù)管理

測(cè)量計(jì)劃是一個(gè)POJO類(lèi)，屬性分別為：縣局名稱(chēng)，開(kāi)通的鏈路名稱(chēng)，測(cè)量執(zhí)行時(shí)間，測(cè)量次數(shù)。測(cè)量執(zhí)行時(shí)間使用Quartz包進(jìn)行管理，Quartz框架是一個(gè)全功能、開(kāi)源的任務(wù)調(diào)度服務(wù)，其標(biāo)準(zhǔn)的cron表達(dá)式為[秒分時(shí)日月星期年]。

軟件系統(tǒng)安裝在服務(wù)器A上，程序啟動(dòng)后，根據(jù)預(yù)先配置的規(guī)則，定時(shí)器根據(jù)規(guī)則分別向服務(wù)器B循環(huán)上傳和下載文件，并記錄傳輸文件大小及起止時(shí)間，計(jì)算出鏈路帶寬。

5.3 上傳和下載的實(shí)現(xiàn)

Java提供了很多FTP的客戶端工具[9]，本文使用ftp4j來(lái)完成，ftp4j包含了較為完整的FTP接口封裝，根據(jù)程序設(shè)計(jì)文檔，在執(zhí)行FTP上傳、下載時(shí)，記錄文件大小、傳輸起止時(shí)間，部分代碼如下：

上述代碼，展示了數(shù)據(jù)測(cè)量和存儲(chǔ)流程。

5.4 整體開(kāi)發(fā)

通過(guò)定時(shí)任務(wù)功能，調(diào)用帶寬測(cè)量服務(wù)接口，完成了任意鏈路的帶寬測(cè)量，并將結(jié)果存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)中包含了完整的帶寬測(cè)量信息，利用ECharts將帶寬測(cè)量的結(jié)果以圖表的形式展現(xiàn)出來(lái)[10]。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文探討了利用路由器策略路由功能、服務(wù)器靜態(tài)路由功能，分析設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一套多數(shù)據(jù)鏈路的網(wǎng)絡(luò)帶寬自動(dòng)測(cè)量軟件系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)業(yè)務(wù)運(yùn)行，證實(shí)該軟件能夠簡(jiǎn)化日常的帶寬測(cè)試工作，測(cè)量期間無(wú)需人工干預(yù)，且對(duì)業(yè)務(wù)的影響比較小，有效提高了網(wǎng)絡(luò)維護(hù)人員的工作效率。

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