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

    關鍵詞：交換機；冗余；路由,；控制單元；生成樹協(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(wěn)定性對于整個系統(tǒng)的穩(wěn)定與業(yè)務至關重要。因此，為了確保這些重要設備的穩(wěn)定運行，通常在其內(nèi)部使用了備份和冗余網(wǎng)絡。當內(nèi)部網(wǎng)絡的一部分出現(xiàn)故障時，要求系統(tǒng)能迅速診斷并快速切換到備份和冗余的網(wǎng)絡，從而降低故障對系統(tǒng)的影響，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

    在備份和冗余網(wǎng)絡中，通常采用的冗余方式是冗余鏈路 + 生成樹協(xié)議（如STP/RSTP）。在這種方式下，網(wǎng)絡出現(xiàn)故障時的冗余切換速度取決于所使用的生成樹協(xié)議的收斂時間，在實時性要求很高的情況下會使其應用受到一定的限制，同時，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(nèi)部雙交換機冗余網(wǎng)絡，設計了一種實用的不依賴生成樹協(xié)議（如STP/RSTP）的快速智能冗余切換的方法，網(wǎng)絡出現(xiàn)故障時，與“冗余鏈路 + 生成樹協(xié)議（如STP/RSTP）”方法相比，冗余切換速度明顯提升，實驗室及現(xiàn)場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)絡的拓撲結構

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

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

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

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

    默認情況下，每個CE都通過SWITCH-A相互聯(lián)系，或通過SWITCH-A和 與外部網(wǎng)絡聯(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)絡出現(xiàn)故障時的冗余切換

    當某個CE的網(wǎng)絡接口（eth0或eth1），或者某個SWITCH（SWITCH-A或SWITCH-B）出現(xiàn)故障時，可以通過更新每個CE的內(nèi)部路由（route），切換到冗余一側(cè)的交換機上，使系統(tǒng)的網(wǎng)絡保持暢通。

    （1） 交換機的某個端口故障

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

    為保持網(wǎng)絡暢通，需要使 上針對eth0的路由（route）全部切換到另一側(cè)的交換機上；同時，還需要使其它CE通過eth0到 的路由（route）切換到另一側(cè)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(xiàn)故障，每個CE的route也要做類似的切換更新。

    （2）整個交換機故障

    如果某個交換機出現(xiàn)故障，為保持網(wǎng)絡暢通，需要使每個CE針對該交換機的路由全部切換到另一側(cè)的交換機上。
假設SWITCH-A出現(xiàn)故障，為保持網(wǎng)絡暢通，需要使每個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(xiàn)故障，每個CE的route也要做類似的切換更新。

    3  網(wǎng)絡故障的自動檢測

    對于交換機端口或者整個交換機的故障，都表現(xiàn)為某些CE（一個或多個CE）的網(wǎng)絡端口出現(xiàn)故障，因此，都可以通過檢查各個CE的網(wǎng)絡端口狀態(tài)檢查出來。

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

    如圖3所示，設備中的每一個CE（ ）針對其對應的網(wǎng)絡端口（eth0或eth1），都任意選擇其它3個CE（ ， ， ）作為檢測點。在針對網(wǎng)絡端口的每一個檢測周期中， 依次向每個檢測點直接發(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 向第一個檢測點 發(fā)check包

    ②等待 的ack包，如果收到，說明端口正常，結束本次檢測

    ③等待超時， 向第二個檢測點 發(fā)check包

    ④等待 的ack包，如果收到，說明端口正常，結束本次檢測

    ⑤等待超時， 向第二個檢測點 發(fā)check包

    ⑥等待 的ack包，如果收到，說明端口正常，結束本次檢測

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

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

    ⑨等待超時， 的該端口上不能收到任何ack包，則檢查另一側(cè)端口的狀態(tài)：如果另一側(cè)端口異常，說明 在兩側(cè)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(cè)端口正常，判斷本側(cè)端口故障，觸發(fā)每一個CE上的route更新。

              
                              圖4 網(wǎng)絡端口檢測步驟示意圖
  
    3.3 檢測周期與響應時間
  
                     
                               圖5 網(wǎng)絡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)絡端口狀態(tài)的最長檢測周期為 T = 4* + 。當網(wǎng)絡端口故障時，最長在時間T內(nèi)可以檢出網(wǎng)絡故障。

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

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

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

    3.4 檢測行為對網(wǎng)絡的影響

    在每一個檢測周期中，當所有網(wǎng)絡端口正常時，每一個CE會收發(fā)2個mac包（1個check包，1個ack包），一共是 2n個mac包；

    當某個網(wǎng)絡端口異常時，該端口對應的CE最多收發(fā)不超過n個包（4個check包，最多n-4個ack包），其它CE每一個最多收發(fā)不超過3個包（2個check包，1個ack包），一共最大不超過 4n 個包；

    當某個交換機故障時，每一個CE會收發(fā)4個包（4個check包，0個ack包），由于該交換機已經(jīng)不能轉(zhuǎn)發(fā)包，因此沒有真正增加網(wǎng)絡的負荷。

    當 時，由網(wǎng)絡檢測引入的mac包的數(shù)量是非常小的。

    4．應用

    該策略針對設備內(nèi)部的平面獨立的雙交換機冗余網(wǎng)絡，可以檢測每一個網(wǎng)絡端口的狀態(tài)，在網(wǎng)絡出現(xiàn)故障的時候能迅速檢測出來并自動作冗余切換，而且對交換機所支持的協(xié)議沒有特殊的要求，對設備內(nèi)部每個CE所支持的協(xié)議也沒有特殊的要求，因而適應性較強。通過選擇合適的檢測周期，可以使冗余切換時間限制在100~200ms以下，甚至更短。與“冗余鏈路 + 生成樹協(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)過實驗室和現(xiàn)場的雙重驗證，當內(nèi)部網(wǎng)絡出現(xiàn)故障時，實際冗余切換時間小于100ms，有效保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

    5．結論

    本文針對“冗余鏈路 + 生成樹協(xié)議”的網(wǎng)絡冗余方式中冗余切換速度依賴所使用的生成樹協(xié)議的收斂時間、造成實時性不高，而且配置復雜的問題，設計了不依賴生成樹協(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，同時簡化了網(wǎng)絡配置。

    參考文獻

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    [6] 李志潔，姜楠，王存睿，劉向東．生成樹協(xié)議分析及其實驗的設計與實現(xiàn)[J]．實驗科學與技術,2010,8(2)

    作者簡介

    劉新華(1973-)，男，湖北省云夢人，畢業(yè)于浙江大學工業(yè)自動化碩士研究生，工程師，現(xiàn)就職于上海貝爾股份有限公司 WLPD（有線產(chǎn)品部），主要從事軟件開發(fā)方面的研究。

    摘自《自動化博覽》2011年第五期