雙向轉發檢測及其設計實現

周三友，李吉良，周玉娟

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

為了減小設備故障對業務的影響，提高網絡的可用性，需要對設備之間通信的連通性進行檢測，以便能夠及時采取措施，持續向用戶提供服務。

傳統的連通性檢測方法主要有2種：① 硬件信號檢測方式通過檢測線路中的信號狀態進行連通性檢測，例如SDH網絡中的信號丟失、幀失步等。這種方式的響應速度很快，但僅有一部分物理鏈路具有這一功能，并且只能檢測底層故障，鏈路層以上的故障無法檢測。② 軟件握手檢測方式通過定時交互握手消息來檢測連通性，例如路由協議中的Hello報文機制。這種方式能夠檢測到網絡層的故障，但響應時間較慢，通常在秒級以上。

為了解決傳統連通性檢測方式存在的問題，IETF提出了BFD，希望通過一種統一的機制提供快速連通性檢測。

1 雙向轉發檢測

1.1 工作原理

IETF在2010年6月正式發布了RFC5880[1]，詳細描述了BFD的基本原理以及BFD協議的使用場景。隨后，又發布了一系列補充協議文檔，包括RFC5881[2]，RFC5882[3]，RFC5883[4]，RFC5884[5]，RFC5885[6]等，擴展了BFD的應用范圍。BFD是一種通用、介質無關、協議無關的快速連通性檢測機制，可以應用到多種不同的場景中[7-10]，實現毫秒級的故障檢測，因此很快被各大通信設備廠商采納，成為通信設備的一項重要功能。文獻表明BFD已經在多種網絡中得到了應用，取得了良好的效果。

BFD通過快速、周期性地發送BFD包來進行連通性檢測，包括2種工作模式：

① 異步模式：系統周期性地向對端發送BFD控制報文，如果對端沒有收到一定數量的報文則會話狀態為DOWN。

② 按需模式：一旦BFD會話建立后，系統可以要求遠端停止發送BFD控制報文，只有當系統需要驗證連通性時才與遠端系統短暫地交互一系列BFD控制報文，然后遠端系統重新處于靜默。

還有一種和上述工作模式結合使用的功能——回聲功能。當使用回聲功能時，系統發送BFD回聲報文到遠端系統，然后由遠端將報文環回。如果系統沒有收到一定數量環回的回聲報文，就認為會話結束(DOWN)。

1.2 報文格式

BFD報文必須封裝在目的端口為3 784的UDP報文中，源端口必須在49 152～65 535之間。

BFD報文格式如圖1所示。

圖1 BFD報文格式

各字段含義如下：

Vers：版本，目前為1。

Diag：診斷碼，指示本地系統最近的會話狀態變化的原因。

Sta：發送系統記錄的當前BFD會話狀態。

Flag：包括P(Poll)，F(Final)，C，A，D，M等控制位，實現報文交互過程的控制功能。

DetectMult：檢測時間倍數。在異步模式中，協商的發送間隔乘以此倍數，即接收系統的檢測時間。

Length：BFD控制報文長度(Byte)。

My Discriminator：發送端BFD會話標識。

Your Discriminator：接收端BFD會話標識。

Desired Min TX Interval：本地系統發送BFD控制報文的最小時間間隔(ms)。

Required Min RX Interval：系統接收BFD控制報文的最小時間間隔(ms)。

Required Min Echo RX Interval：系統接收回聲報文的最小時間間隔(ms)。

此外，根據需要還可以對BFD包增加認證字段。

2 雙向轉發檢測設計實現

2.1 總體架構

常見的路由交換設備一般包括控制交換板和線路接口板2種板卡。根據BFD功能分布位置不同可以將BFD的設計實現分為2種：集中式BFD和分布式BFD[11]。

集中式BFD將BFD會話的維護管理、BFD包的收發等所有工作全部放在控制交換板上進行。這種方法的優點是實現簡單，缺點是BFD會話較多時可能造成控制交換板CPU過載。分布式BFD將BFD的功能分解到不同的板卡上進行，控制交換板負責BFD會話的創建、維護和管理，線路接口卡負責BFD包的發送、接收和檢測。分布式BFD的優點是降低了控制交換板的開銷，缺點是實現相對復雜。

為了避免大量BFD包對控制交換板CPU的沖擊，提高設備的穩定性，本項目選擇分布式BFD方式。其中，BFD會話管理在控制交換板的CPU上實現。BFD會話創建完畢進入“UP”狀態后，BFD包的發送、接收和監控在線路接口板上實現。在具體的實現上，可以采用通用CPU實現[12]，也可以采用多核處理器[13]或ASIC實現[14]，但總體來看基于CPU的軟件實現會占用較多的CPU資源，ASIC實現的靈活性比較差。

與CPU，ASIC相比，網絡處理器既能進行靈活的編程，也具有較高的處理性能，因此在網絡設備中得到了大量的應用[15-17]。本文采用網絡處理器NPX進行BFD處理，它具有以下特點：雙向20 G包處理能力；集成流量管理模塊，支持QoS；編程方式簡單。

按照包的處理順序劃分，NPX主要由解碼、查找I、分析、查找II、修改五個模塊組成[17]，如圖2所示。

圖2 NPX的模塊組成

每個模塊都有多個獨立的微引擎，執行特定的微碼程序。一般來說，解碼模塊主要根據接收數據包的特征字段進行分類，提取包中特定的信息組成查找鍵和消息發送給查找I模塊。查找I/II兩個模塊可以進行線性表、Hash表、二叉樹和最長匹配等不同形式的查表。分析模塊分析查找I模塊的查表結果，必要時可要求查找II模塊可以進行二次查表。修改模塊根據包中攜帶的信息及查表結果修改包中的內容，并發送到指定的端口。

為了實現BFD等OAM功能，NPX內部集成了一個OAM模塊，可以實現大量BFD會話的數據包產生和監測功能[18]。

由于網絡處理器具有實現靈活、性能高的特點，因此本項目使用網絡處理器進行BFD設計。

2.2 BFD會話管理

每個BFD會話可能處于3個狀態：DOWN，INIT，UP。BFD會話的當前狀態和接收BFD包中的Sta字段決定了BFD會話的下一狀態。

當BFD會話剛被創建時，處于DOWN狀態，此時開始周期性地發送BFD包，并監測對方發送的BFD包。如果接收BFD包表示對端處于DOWN狀態，則本端遷移到INIT態。如果接收BFD包表示對端處于INIT狀態，則本端直接遷移到UP態。

當BFD會話處于INIT狀態時，如果規定時間內未收到對端BFD包，則轉入DOWN狀態。如果接收BFD包表示對端處于INIT或者UP狀態，則本端遷移到UP態。

當BFD會話處于UP狀態時，如果規定時間內未收到對端BFD包，或者接收BFD包表示對端處于DOWN狀態，則本端遷移到DOWN態。

BFD會話的狀態轉移過程如圖3所示。

圖3 BFD會話狀態轉移圖

2.3 BFD包發送

NPX通過OAM模塊的專用定時器(RTC)定時產生BFD包，發送過程如圖4所示。產生的BFD包攜帶著定時器ID發送到解碼模塊。

圖4 BFD包的產生

解碼模塊首先對包進行預處理，通過硬件解碼器進行數據包分類，并將分類結果存儲在在特定的硬件寄存器中。解碼模塊的微碼程序提取隨BFD包一起收到的定時器ID，形成查找Key，發送到查找模塊I。

查找模塊I根據定時器ID查找發送BFD會話表，查找結果中包含My Discriminator，Your Discriminator等信息，這些信息被發送給分析模塊。

分析模塊基本不做處理，直接通過查找II模塊將查表結果傳遞給修改模塊。修改模塊將查表結果中的信息填寫到BFD包的對應字段中，發送到指定的輸出端口。

2.4 接收BFD包處理

接收BFD包的處理如圖5所示。

解碼模塊首先根據目的IP、目的端口等信息識別到接收包為BFD包，然后提取包中的My Discriminator，Your Discriminator作為查找鍵傳遞給查找模塊I。

查找模塊I查找接收BFD會話表，得到對應的看門狗定時器ID，發送到分析模塊。分析模塊將該定時器清零，然后丟棄該BFD包。如果查找失敗，該BFD包將會被轉發到控制交換板進行處理。

2.5 BFD包監控

NPX為每一個BFD會話分配一個專用的看門狗定時器。如果在規定的檢測周期內從接收端口收到了本會話的BFD包，微碼程序將復位該定時器。

如果在規定的檢測周內沒有收到BFD包，則會產生定時器溢出事件發送給解碼模塊。解碼模塊收到該事件后，通過消息的方式通知到控制交換板，由控制交換板進行進一步的處理。

3 結束語

BFD是一種簡單、快速、通用的連通性檢測方法。本文采用一種分布式處理的方式設計實現了BFD，通過控制交換板的CPU進行BFD會話管理，利用線路接口板的網絡處理器進行BFD包的快速發送、接收和故障檢測，避免了大量BFD包對控制交換板CPU的沖擊，提高設備的穩定性。