摘要：在重要的通信與控制設備中，為了確保系統的穩定，通常在其內部都使用了備份和冗余網(wǎng)絡(luò )。本文針對一種平面獨立的內部雙交換機冗余網(wǎng)絡(luò )，設計了一種實(shí)用的不依賴(lài)生成樹(shù)協(xié)議（STP/RSTP）的快速智能冗余切換的方法，通過(guò)實(shí)驗室及現場(chǎng)應用驗證了該方法的有效性。

    關(guān)鍵詞：交換機；冗余；路由,；控制單元；生成樹(shù)協(xié)議

    Abstract: In key telecommunication or control devices, network redundancy is basically used to ensure system stabilization. This paper introduces a fast automatic redundancy backup method for one kind of internal dual-switch network, which is independent to STP/RSTP protocol and verified in lab and onsite application.

    Keywords: Switch, Redundancy, Route, CE(Control-Element), STP/RSTP

    1 引言

   重要的通信與控制設備，其穩定性對于整個(gè)系統的穩定與業(yè)務(wù)至關(guān)重要。因此，為了確保這些重要設備的穩定運行，通常在其內部使用了備份和冗余網(wǎng)絡(luò )。當內部網(wǎng)絡(luò )的一部分出現故障時(shí)，要求系統能迅速診斷并快速切換到備份和冗余的網(wǎng)絡(luò )，從而降低故障對系統的影響，保證系統的穩定運行。

    在備份和冗余網(wǎng)絡(luò )中，通常采用的冗余方式是冗余鏈路 + 生成樹(shù)協(xié)議（如STP/RSTP）。在這種方式下，網(wǎng)絡(luò )出現故障時(shí)的冗余切換速度取決于所使用的生成樹(shù)協(xié)議的收斂時(shí)間，在實(shí)時(shí)性要求很高的情況下會(huì )使其應用受到一定的限制，同時(shí)，這種方式配置比較復雜，而且對交換機需要支持的協(xié)議也提出了要求。

    本文針對一種平面獨立的內部雙交換機冗余網(wǎng)絡(luò )，設計了一種實(shí)用的不依賴(lài)生成樹(shù)協(xié)議（如STP/RSTP）的快速智能冗余切換的方法，網(wǎng)絡(luò )出現故障時(shí)，與“冗余鏈路 + 生成樹(shù)協(xié)議（如STP/RSTP）”方法相比，冗余切換速度明顯提升，實(shí)驗室及現場(chǎng)應用驗證了該方法的有效性。

    2 一種平面獨立的雙交換機冗余網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構

    圖1是某一核心通信設備內部的雙交換機冗余網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構。如圖1所示，設備中有多個(gè)控制單元（Control Element, CE），每一個(gè)控制單位都相當于一臺電腦，通過(guò)eth0和eth1分別連接到兩個(gè)交換機SWITCH-A和SWITCH-B，組成了兩個(gè)互為備份的網(wǎng)絡(luò )交換平面。由于SWITCH-A和SWITCH-B之間沒(méi)有網(wǎng)絡(luò )連接，因此，這兩個(gè)交換機雖互為備份但彼此獨立，避免了對生產(chǎn)樹(shù)協(xié)議的要求。通過(guò)在各個(gè)CE上添加不同的網(wǎng)絡(luò )路由（route），可以實(shí)現在兩個(gè)交換平面之間靈活切換。

             
                     圖1 某一核心通信設備內部的雙交換機冗余網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構

    由于是在設備內部，每個(gè)交換機端口所對應CE的內部ip和內部mac地址都可以預先定義，如表1所示。

                         表1 CEi的網(wǎng)絡(luò )端口、IP、Mac-address對照表
                      （假設）CEi
                     

    默認情況下，每個(gè)CE都通過(guò)SWITCH-A相互聯(lián)系，或通過(guò)SWITCH-A和 與外部網(wǎng)絡(luò )聯(lián)系。默認路由（route）如表2、表3所示。

                         表2 CEi(i≠n)的默認路由表
                    CEi (i≠n)  
                 

                     表3 CEn的默認路由表
                     CEn 
       
    2．網(wǎng)絡(luò )出現故障時(shí)的冗余切換

    當某個(gè)CE的網(wǎng)絡(luò )接口（eth0或eth1），或者某個(gè)SWITCH（SWITCH-A或SWITCH-B）出現故障時(shí)，可以通過(guò)更新每個(gè)CE的內部路由（route），切換到冗余一側的交換機上，使系統的網(wǎng)絡(luò )保持暢通。

    （1） 交換機的某個(gè)端口故障

    （假設） 的eth0對應的交換機端口出現故障，如圖2所示：
    
                        
                                  圖2 的eth0出現故障示意圖  

    為保持網(wǎng)絡(luò )暢通，需要使 上針對eth0的路由（route）全部切換到另一側的交換機上；同時(shí)，還需要使其它CE通過(guò)eth0到 的路由（route）切換到另一側的交換機上。
對應的路由（route）更新如下：
   
     （a） CE_i
              

    （b）CE_j ( j≠i)
              

    如果 的eth1對應的交換機端口出現故障，每個(gè)CE的route也要做類(lèi)似的切換更新。

    （2）整個(gè)交換機故障

    如果某個(gè)交換機出現故障，為保持網(wǎng)絡(luò )暢通，需要使每個(gè)CE針對該交換機的路由全部切換到另一側的交換機上。
假設SWITCH-A出現故障，為保持網(wǎng)絡(luò )暢通，需要使每個(gè)CE上針對eth0的路由（route）全部切換到eth1上。對應的路由（route）更新如下：

             
   
    如果SWITCH-B出現故障，每個(gè)CE的route也要做類(lèi)似的切換更新。

    3  網(wǎng)絡(luò )故障的自動(dòng)檢測

    對于交換機端口或者整個(gè)交換機的故障，都表現為某些CE（一個(gè)或多個(gè)CE）的網(wǎng)絡(luò )端口出現故障，因此，都可以通過(guò)檢查各個(gè)CE的網(wǎng)絡(luò )端口狀態(tài)檢查出來(lái)。

    3.1 網(wǎng)絡(luò )端口狀態(tài)的檢測方式  
           
                

    如圖3所示，設備中的每一個(gè)CE（ ）針對其對應的網(wǎng)絡(luò )端口（eth0或eth1），都任意選擇其它3個(gè)CE（ ， ， ）作為檢測點(diǎn)。在針對網(wǎng)絡(luò )端口的每一個(gè)檢測周期中， 依次向每個(gè)檢測點(diǎn)直接發(fā)送以太網(wǎng)mac包（check包）；收到check包的CE將向發(fā)送方回復確認ack包。

    3.2 檢測步驟與決斷策略

    如圖4所示：

    ① 向第一個(gè)檢測點(diǎn) 發(fā)check包

    ②等待 的ack包，如果收到，說(shuō)明端口正常，結束本次檢測

    ③等待超時(shí)， 向第二個(gè)檢測點(diǎn) 發(fā)check包

    ④等待 的ack包，如果收到，說(shuō)明端口正常，結束本次檢測

    ⑤等待超時(shí)， 向第二個(gè)檢測點(diǎn) 發(fā)check包

    ⑥等待 的ack包，如果收到，說(shuō)明端口正常，結束本次檢測

    ⑦等待超時(shí)， 向該端口（eth0或eth1）廣播一個(gè)check包，其它CE收到之后都會(huì )向 發(fā)ack包

    ⑧等待可能的ack包，如果收到，說(shuō)明端口正常，用新收到的ip/mac地址更新檢測點(diǎn)（ ， ， ），結束本次檢測

    ⑨等待超時(shí)， 的該端口上不能收到任何ack包，則檢查另一側端口的狀態(tài)：如果另一側端口異常，說(shuō)明 在兩側都不能收到任何ack包，判斷 處于孤立運行狀態(tài)，因此不需要做route更新；如果另一側端口正常，判斷本側端口故障，觸發(fā)每一個(gè)CE上的route更新。

              
                              圖4 網(wǎng)絡(luò )端口檢測步驟示意圖
  
    3.3 檢測周期與響應時(shí)間
  
                     
                               圖5 網(wǎng)絡(luò )端口的檢測周期與檢測步驟示意圖（示例）

    采用圖5所示的檢測步驟與檢測周期（示例），網(wǎng)絡(luò )端口狀態(tài)的最長(cháng)檢測周期為 T = 4* + 。當網(wǎng)絡(luò )端口故障時(shí)，最長(cháng)在時(shí)間T內可以檢出網(wǎng)絡(luò )故障。

    選擇合適的 和 ，能使系統在盡可能短的時(shí)間內檢測出交換機網(wǎng)絡(luò )故障，并做出相應的保護性冗余切換。

    當 t₁= 20ms ，t₂ = 100ms時(shí)，T = 4 x t₁ + t₂= 180ms ；

    當 t₁= 10ms ，t₂ = 50ms時(shí)， T = 4 x t₁ +t₂ = 90ms 。

    3.4 檢測行為對網(wǎng)絡(luò )的影響

    在每一個(gè)檢測周期中，當所有網(wǎng)絡(luò )端口正常時(shí)，每一個(gè)CE會(huì )收發(fā)2個(gè)mac包（1個(gè)check包，1個(gè)ack包），一共是 2n個(gè)mac包；

    當某個(gè)網(wǎng)絡(luò )端口異常時(shí)，該端口對應的CE最多收發(fā)不超過(guò)n個(gè)包（4個(gè)check包，最多n-4個(gè)ack包），其它CE每一個(gè)最多收發(fā)不超過(guò)3個(gè)包（2個(gè)check包，1個(gè)ack包），一共最大不超過(guò) 4n 個(gè)包；

    當某個(gè)交換機故障時(shí)，每一個(gè)CE會(huì )收發(fā)4個(gè)包（4個(gè)check包，0個(gè)ack包），由于該交換機已經(jīng)不能轉發(fā)包，因此沒(méi)有真正增加網(wǎng)絡(luò )的負荷。

    當 時(shí)，由網(wǎng)絡(luò )檢測引入的mac包的數量是非常小的。

    4．應用

    該策略針對設備內部的平面獨立的雙交換機冗余網(wǎng)絡(luò )，可以檢測每一個(gè)網(wǎng)絡(luò )端口的狀態(tài)，在網(wǎng)絡(luò )出現故障的時(shí)候能迅速檢測出來(lái)并自動(dòng)作冗余切換，而且對交換機所支持的協(xié)議沒(méi)有特殊的要求，對設備內部每個(gè)CE所支持的協(xié)議也沒(méi)有特殊的要求，因而適應性較強。通過(guò)選擇合適的檢測周期，可以使冗余切換時(shí)間限制在100~200ms以下，甚至更短。與“冗余鏈路 + 生成樹(shù)協(xié)議（如STP/RSTP）”的冗余方式相比，該策略的冗余切換速度更快，而且不需要對交換機做額外的配置。

    在某一款電信核心設備中采用了該策略后，經(jīng)過(guò)實(shí)驗室和現場(chǎng)的雙重驗證，當內部網(wǎng)絡(luò )出現故障時(shí)，實(shí)際冗余切換時(shí)間小于100ms，有效保障了系統的穩定性。

    5．結論

    本文針對“冗余鏈路 + 生成樹(shù)協(xié)議”的網(wǎng)絡(luò )冗余方式中冗余切換速度依賴(lài)所使用的生成樹(shù)協(xié)議的收斂時(shí)間、造成實(shí)時(shí)性不高，而且配置復雜的問(wèn)題，設計了不依賴(lài)生成樹(shù)協(xié)議（如STP/RSTP）的快速智能冗余切換的方法，提升了冗余切換速度，同時(shí)簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò )配置。

    參考文獻

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    作者簡(jiǎn)介

    劉新華(1973-)，男，湖北省云夢(mèng)人，畢業(yè)于浙江大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化碩士研究生，工程師，現就職于上海貝爾股份有限公司 WLPD（有線(xiàn)產(chǎn)品部），主要從事軟件開(kāi)發(fā)方面的研究。

    摘自《自動(dòng)化博覽》2011年第五期