一種雙冗余網(wǎng)絡(luò)快速切換方法?

徐雄斌 楊勝釗 高 燾

（1.武漢數(shù)字工程研究所 武漢 430205）（2.海軍駐武漢四六一廠軍事代表室 武漢 430000）

1 引言

隨著艦船信息化要求的不斷提高，艦船信息系統(tǒng)基本采用以太網(wǎng)方式組網(wǎng)。為了保證信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕畔⑾到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)都采用雙冗余以太網(wǎng)，雙冗余網(wǎng)絡(luò)采用交換機(jī)和終端計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡采用熱備份模式［1～3］，形成了通道到節(jié)點(diǎn)的多點(diǎn)冗余。同時(shí)，為了節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬和系統(tǒng)資源。通信方式主要采用組播方式，相對(duì)于點(diǎn)播和廣播，組播是一種點(diǎn)到多點(diǎn)的通信方式，便于實(shí)現(xiàn)多接收者的并行接收。雙冗余網(wǎng)絡(luò)切換包括網(wǎng)卡切換和交換機(jī)切換，網(wǎng)卡切換指交換機(jī)正常情況下，一塊網(wǎng)卡故障時(shí)，數(shù)據(jù)收發(fā)切換到另一塊網(wǎng)卡。交換機(jī)切換是當(dāng)一臺(tái)交換機(jī)關(guān)機(jī)或故障時(shí)，數(shù)據(jù)交換路徑切換到另一臺(tái)交換機(jī)。網(wǎng)卡切換基于硬件中斷信號(hào)實(shí)現(xiàn)，時(shí)間較短，一般在ms級(jí)別。而交換機(jī)切換主要是重新建立路由表、地址表、組播成員表、更新端口狀態(tài)等，根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，切換需要的時(shí)間不同，通常都在秒級(jí)甚至分鐘級(jí)，切換時(shí)間較長(zhǎng)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)丟失而影響業(yè)務(wù)或作戰(zhàn)。本文采用一種交換機(jī)優(yōu)化和終端計(jì)算機(jī)軟件相結(jié)合的方法，重點(diǎn)討論當(dāng)一臺(tái)交換機(jī)關(guān)機(jī)或故障時(shí)，實(shí)現(xiàn)交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)表的快速更新，使雙冗余網(wǎng)絡(luò)切換時(shí)間最快可達(dá)到ms級(jí)。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 艦載網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

艦載信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接示意圖如圖1所示。

示意圖中網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)含3個(gè)分系統(tǒng)，分系統(tǒng)1包含終端1到終端6，分系統(tǒng)2包含終端A到終端D，分系統(tǒng)3包含終端E到終端H。核心交換機(jī)A、B代表系統(tǒng)兩臺(tái)核心交換機(jī)，分系統(tǒng)接入交換機(jī)1、2代表各分系統(tǒng)的兩對(duì)接入交換機(jī)。系統(tǒng)通過(guò)交換機(jī)A和B作為核心交換機(jī)組網(wǎng)，交換機(jī)A和B互為備份，終端計(jì)算機(jī)配置雙冗余網(wǎng)卡分別連接到兩臺(tái)交換機(jī)。分系統(tǒng)1的6臺(tái)終端直接接入核心交換機(jī)，分系統(tǒng)2的4臺(tái)終端通過(guò)接入層交換機(jī)1級(jí)聯(lián)到核心交換機(jī)，分系統(tǒng)3的4臺(tái)終端通過(guò)接入層交換機(jī)2級(jí)聯(lián)到核心交換機(jī)。通信方面，各分系統(tǒng)內(nèi)部采用組播方式，分系統(tǒng)之間有的采用組播方式，有的采用點(diǎn)播方式。當(dāng)一臺(tái)交換機(jī)故障時(shí)，由于交換機(jī)切換重新建立路由表、地址表、組播成員表、更新端口狀態(tài)等需要一定時(shí)間。根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，切換需要的時(shí)間不同，通常都在秒級(jí)甚至分鐘級(jí)，切換時(shí)間較長(zhǎng)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)丟失而影響業(yè)務(wù)或作戰(zhàn)。因此必須找到一種方法，使交換機(jī)故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)快速切換，減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 交換機(jī)優(yōu)化方案

下面闡述交換機(jī)優(yōu)化方面的原理分析和解決方案。

2.2.1 交換機(jī)路由概述

在典型的艦載信息網(wǎng)絡(luò)中，由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小，所有的路由通過(guò)核心交換機(jī)完成，包括單播路由和組播路由。

對(duì)于單播路由，一般采用VRRP（Virtual Router Redunancy Protocol）虛擬路由冗余協(xié)議，實(shí)現(xiàn)第一跳路由器即默認(rèn)網(wǎng)關(guān)的主備切換。主備路由器一開(kāi)始都把自己設(shè)為VRRPmaster，然后向每一個(gè)組播發(fā)送VRRP報(bào)文，VRRP設(shè)備收到同組其他設(shè)備VRRP消息后，對(duì)比優(yōu)先級(jí)，如果優(yōu)先級(jí)高的話，自己不發(fā)VRRP包了，自己設(shè)置為slave，否則的話，自己為master。交換機(jī)優(yōu)先級(jí)Priority決定一臺(tái)路由器在備份組的狀態(tài)，優(yōu)先級(jí)高的路由器將被定義為活動(dòng)路由器，其他優(yōu)先級(jí)的路由器作為備份路由器，當(dāng)活動(dòng)路由器故障后，備份路由器變成活動(dòng)路由器。

組播路由通常采用PIM（Protocol Independent Multicast，協(xié)議無(wú)關(guān)組播）協(xié)議，對(duì)于存在冗余的網(wǎng)絡(luò)中，為了避免出現(xiàn)相同的組播報(bào)文被重復(fù)發(fā)送到該網(wǎng)段，就需要通過(guò)選舉機(jī)制來(lái)選定唯一的組播數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)者。

BFD（Bidirectional Forwarding Detection）協(xié)議是一種輕負(fù)載、快速檢測(cè)兩臺(tái)交換機(jī)之間轉(zhuǎn)發(fā)路徑連通狀態(tài)的方法，是一個(gè)簡(jiǎn)單的“Hello”協(xié)議。如果一臺(tái)交換機(jī)沒(méi)有檢測(cè)到另外一臺(tái)交換機(jī)的檢測(cè)報(bào)文，可以通過(guò)BFD快速檢測(cè)并盡快啟動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)路徑，提升網(wǎng)絡(luò)性能。BFD提供的檢測(cè)機(jī)制與上層協(xié)議無(wú)關(guān)。

2.2.2 交換機(jī)組播概述

IGMP（Internet Group Management Protocol）是用于管理網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組播成員的一種通用協(xié)議，IP主機(jī)和路由器利用IGMP來(lái)創(chuàng)建多播組的組成員，通過(guò)查詢(xún)、響應(yīng)機(jī)制，組播路由器用來(lái)建立接收端的組播組成員管理。

查詢(xún)報(bào)文由組播路由器發(fā)出，組播路由器定時(shí)發(fā)出查詢(xún)報(bào)文，用來(lái)查詢(xún)?cè)摼W(wǎng)段有哪些組播組的成員。當(dāng)組播路由器發(fā)出IGMP查詢(xún)報(bào)文后收到主機(jī)回應(yīng)的IGMP報(bào)告報(bào)文，或接收到主機(jī)主動(dòng)發(fā)送的成員報(bào)告時(shí)，路由器將接收到成員報(bào)告的接口加入到組播路由表的出接口列表。通過(guò)偵聽(tīng)路由器和主機(jī)的IGMP交互，把收到成員報(bào)告的端口和對(duì)應(yīng)的組播地址學(xué)習(xí)到組播成員端口表中，形成精確到端口的組播地址表。當(dāng)主機(jī)主動(dòng)發(fā)出離開(kāi)組IGMP報(bào)文時(shí)，或者組播路由器發(fā)出IGMP查詢(xún)報(bào)文，該端口在一定時(shí)間得不到回應(yīng)，則刪除對(duì)應(yīng)端口，從而維護(hù)動(dòng)態(tài)的組播成員端口表。

2.2.3 切換影響因素

在組播網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的一臺(tái)交換機(jī)關(guān)機(jī)或故障時(shí)，所有拓?fù)渥兓婕暗慕M播路由器都需要有路由協(xié)議收斂、組播路由計(jì)算、建立路由表等時(shí)間。圖2為交換機(jī)切換路由建立流程圖。

由于網(wǎng)絡(luò)故障導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓M播成員表應(yīng)該實(shí)現(xiàn)對(duì)此的響應(yīng)，而交換機(jī)需要通過(guò)每臺(tái)接收者終端的成員報(bào)告來(lái)完成轉(zhuǎn)發(fā)表的學(xué)習(xí)，如果終端不能主動(dòng)發(fā)送成員報(bào)告，那么交換機(jī)只能依靠IGMP成員關(guān)系查詢(xún)進(jìn)行組播成員表的重新學(xué)習(xí)。組播成員端口表建立主要依靠監(jiān)聽(tīng)終端和路由器的IGMP交互過(guò)程。圖3為交換機(jī)切換組播表建立流程圖。

由于交換機(jī)切換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化需較長(zhǎng)時(shí)間重新建立路由、組播成員端口表，通常都在幾十秒甚至一兩分鐘，切換時(shí)間較長(zhǎng)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)丟失而影響業(yè)務(wù)或作戰(zhàn)。兩臺(tái)核心交換機(jī)切換時(shí)間主要消耗在組播路由建立時(shí)間和組播成員表建立時(shí)間上。

2.2.4 交換機(jī)優(yōu)化解決方案

1）交換機(jī)路由

采用兩種機(jī)制減少交換機(jī)路由建立時(shí)間。（1）采用 VRRP［4～6］、PIM 與 BFD［7～8］聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)主備之間的快速切換。在兩臺(tái)交換機(jī)上部署B(yǎng)FD快速檢測(cè)機(jī)制，綁定VRRP、PIM協(xié)議，實(shí)現(xiàn)鏈路故障時(shí)，核心交換機(jī)備份路由快速切換。（2）通過(guò)修改心跳周期參數(shù)減少主從設(shè)備相互監(jiān)控時(shí)間，減少交換機(jī)路故障時(shí)路由切換時(shí)間。

2）交換機(jī)組播成員端口表

由于組播主要是依靠監(jiān)聽(tīng)終端和路由器的IGMP交互過(guò)程以生成對(duì)應(yīng)組播的端口轉(zhuǎn)發(fā)表。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)故障導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓M播成員應(yīng)該實(shí)現(xiàn)響應(yīng)，而交換機(jī)需要通過(guò)接收終端成員的報(bào)告來(lái)完成轉(zhuǎn)發(fā)表的學(xué)習(xí)。可以通過(guò)修改發(fā)送IGMP組播查詢(xún)報(bào)文的時(shí)間間隔和IGMP組播查詢(xún)的最大響應(yīng)時(shí)間來(lái)減少組播成員建立時(shí)間。同時(shí)實(shí)現(xiàn)STP等二層拓?fù)渥兓cIGMP的關(guān)聯(lián)查詢(xún)機(jī)制，由拓?fù)渥兓|發(fā)新的查詢(xún)，快速更新轉(zhuǎn)發(fā)表。

2.3 終端軟件方案

2.3.1 概述

艦載信息系統(tǒng)計(jì)算機(jī)采用兩塊網(wǎng)卡，兩塊網(wǎng)卡采用熱備份，平時(shí)一塊網(wǎng)卡作為對(duì)外傳輸通道，當(dāng)該通道出現(xiàn)故障時(shí)，可迅速切換到另一塊網(wǎng)卡。從上面分析情況可以看出，如果計(jì)算機(jī)不主動(dòng)發(fā)送加組信息，就必須等待路由器周期性發(fā)送普遍組查詢(xún)消息進(jìn)行成員關(guān)系查詢(xún)，計(jì)算機(jī)發(fā)送報(bào)告消息來(lái)應(yīng)答查詢(xún)來(lái)建立組播表，則至少要等待交換機(jī)一個(gè)查詢(xún)周期。因此可采用計(jì)算機(jī)在檢測(cè)到一臺(tái)交換機(jī)故障后軟件方面主動(dòng)加組，減少路由器周期性查詢(xún)時(shí)間。計(jì)算機(jī)軟件層次如圖4。

軟件包含操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序、中間件、應(yīng)用軟件等四層。

2.3.2 基本原理簡(jiǎn)介

要使兩塊網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)熱備份，兩塊網(wǎng)卡必須有相同的物理地址和IP地址，計(jì)算機(jī)的IP地址保存在計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中，每塊網(wǎng)卡有一個(gè)唯一的物理地址，它保存在網(wǎng)卡的PROM中。如果IP地址變化，計(jì)算機(jī)將無(wú)法收發(fā)數(shù)據(jù)。如果IP地址無(wú)變化，物理地址發(fā)生變化，雖然計(jì)算機(jī)可以正常收發(fā)數(shù)據(jù)，但由于物理地址發(fā)生變化，將引起協(xié)議棧中ARP綁定的變化，需重新對(duì)應(yīng)ARP綁定表中IP地址與網(wǎng)卡物理地址的關(guān)系，會(huì)延長(zhǎng)兩塊網(wǎng)卡之間的切換時(shí)間。網(wǎng)卡切換后，如果軟件不主動(dòng)加組，交換機(jī)需消耗一個(gè)組播成員表查詢(xún)周期時(shí)間，來(lái)重新建立新的組播表。

因此，要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)卡切換并且切換時(shí)間盡可能短，必須解決下面幾個(gè)問(wèn)題：1）計(jì)算機(jī)盡快知道何時(shí)切換；2）兩塊網(wǎng)卡物理地址和IP地址問(wèn)題；3）主動(dòng)加組。

2.3.3 解決方案

為了減少中間環(huán)節(jié)，主要從驅(qū)動(dòng)程序環(huán)節(jié)考慮解決網(wǎng)卡切換和主動(dòng)加組的應(yīng)用［9～12］。通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序中增加雙網(wǎng)卡切換程序，來(lái)解決上述幾個(gè)問(wèn)題。雙網(wǎng)卡切換程序主要包括網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)監(jiān)控任務(wù)、IP等卸載和重定義、主動(dòng)加組等功能。

網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)監(jiān)控任務(wù)主要完成網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢測(cè)，它定時(shí)判斷當(dāng)前網(wǎng)卡的鏈路狀態(tài)，如果鏈路處于斷開(kāi)狀態(tài)，釋放網(wǎng)卡切換信號(hào)量，通知網(wǎng)卡切換任務(wù)切換網(wǎng)卡，由于鏈路檢查基本由硬件完成，驅(qū)動(dòng)程序只是讀取寄存器狀態(tài)，因此消耗時(shí)間很短，可忽略不計(jì)。檢測(cè)到網(wǎng)卡切換后，驅(qū)動(dòng)程序卸載原先網(wǎng)卡的IP和物理地址，然后使用同一個(gè)IP和物理地址來(lái)配置第二塊網(wǎng)卡，把IP和物理地址等相關(guān)信息寫(xiě)入第二塊對(duì)應(yīng)的地址，減少網(wǎng)卡切換時(shí)間。完成網(wǎng)卡切換后，接下來(lái)驅(qū)動(dòng)程序根據(jù)IP地址等信息調(diào)用函數(shù)主動(dòng)加組，可以節(jié)省交換機(jī)組播成員表查詢(xún)周期的時(shí)間。

通過(guò)優(yōu)化計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序，讓計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)程序一旦檢測(cè)到一臺(tái)交換機(jī)故障或關(guān)機(jī)后，計(jì)算機(jī)主動(dòng)加組，通過(guò)該方式可以加快網(wǎng)絡(luò)的切換。

3 測(cè)試與驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室搭建了測(cè)試環(huán)境，核心交換機(jī)采用華三交換機(jī)H3CS7506E，計(jì)算機(jī)采用核心芯片為intel82571的網(wǎng)卡，對(duì)交換機(jī)進(jìn)行VRRP、組播、優(yōu)先級(jí)、生成樹(shù)協(xié)議等相關(guān)基礎(chǔ)配置后，在測(cè)試環(huán)境下進(jìn)行了幾種情況下的對(duì)比測(cè)試，模擬交換機(jī)故障，用wireshark軟件抓包，計(jì)算切換時(shí)間。1）交換機(jī)初始設(shè)置配合優(yōu)化前的驅(qū)動(dòng)程序，切換時(shí)間大于1min；2）設(shè)置交換機(jī)心跳參數(shù)、組播成員表相關(guān)參數(shù)，配合優(yōu)化前的的驅(qū)動(dòng)程序，切換時(shí)間大于10s；3）設(shè)置交換機(jī)心跳參數(shù)、組播成員表相關(guān)參數(shù)，配合優(yōu)化后的驅(qū)動(dòng)程序，切換時(shí)間小于5s；4）設(shè)置交換機(jī)心跳參數(shù)、組播成員表、BFD相關(guān)參數(shù)，配合優(yōu)化前的驅(qū)動(dòng)程序，切換時(shí)間約2s。5）設(shè)置交換機(jī)心跳參數(shù)、組播成員表、BFD相關(guān)參數(shù)，配合優(yōu)化后的驅(qū)動(dòng)程序，切換時(shí)間小于1s。

測(cè)試表明，通過(guò)交換機(jī)優(yōu)化和計(jì)算機(jī)軟件相結(jié)合的方法，可實(shí)現(xiàn)雙冗余交換網(wǎng)絡(luò)的快速切換。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種交換機(jī)優(yōu)化和計(jì)算機(jī)軟件相結(jié)合的方法，解決了雙冗余網(wǎng)絡(luò)切換時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)模擬交換機(jī)故障進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明效果良好，使雙冗余網(wǎng)絡(luò)切換時(shí)間最快可達(dá)到ms級(jí)，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕哂休^大的軍事和民用價(jià)值。