李 潔，黃婷熙，潘濤濤

（武漢郵電科學研究院；武漢烽火網(wǎng)絡(luò)有限責任公司，湖北 武漢 430074）

現(xiàn)在的通信網(wǎng)絡(luò)中，對于大容量的機架式通信設(shè)備的業(yè)務(wù)可靠性、穩(wěn)定性有很高的要求，提高其設(shè)備運行的穩(wěn)定性、可靠性，是機架式通信設(shè)備必須解決的重要課題。主備倒換技術(shù)是提高通信設(shè)備可運維性的重要解決方案之一。本文提出一種私有的高可靠性通信設(shè)備主備倒換軟件實現(xiàn)方式，優(yōu)化了主備倒換流程，有效提高了主備倒換數(shù)據(jù)的準確性，并縮短了主備倒換的時間。

新主備倒換的方式，從以下兩點進行改進：1）改變了倒換的邏輯，將主備控制卡的數(shù)據(jù)同步過程修改為實時同步，使主備控制卡的狀態(tài)隨時保持一致；2）建立一條私有的二層協(xié)議管理通道，在用套接字保證主備數(shù)據(jù)傳遞準確性的同時，獨立的管理通道也保證了主備狀態(tài)倒換的準確性和及時性。前者是邏輯的改進，后者是通信通道的改進。

1 主備倒換新方式

1.1 軟件實現(xiàn)原理

新的實現(xiàn)方式是將主備倒換過程中的主備數(shù)據(jù)同步和倒換的過程分離開來，在主備倒換時只需轉(zhuǎn)變主備控制卡的卡狀態(tài)即可。其實現(xiàn)前提是主備控制卡的數(shù)據(jù)和狀態(tài)是實時同步的。下面就介紹其軟件實現(xiàn)原理。

由協(xié)議HA的狀態(tài)機維護主、備控制卡狀態(tài)，它們之間的通信不同于控制卡與其業(yè)務(wù)線卡之間的通信方式。HA協(xié)議提供兩條相互獨立的主備卡控制卡通道：一條為主備卡之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，將TCP運用在數(shù)據(jù)鏈路層，通過套接字傳送數(shù)據(jù)；另一條為主備控制卡之間的HA控制信息傳送通道，建立在數(shù)據(jù)鏈路層上，運用一種可靠的點到點的傳輸方法，可以提供QoS保障。如圖1所示。

圖1 HA通道設(shè)計

1.2 主備數(shù)據(jù)通道

數(shù)據(jù)通道采用全雙工方式，采用類似TCP協(xié)議的TCP2來傳輸，擁有TCP通信的特有超時重傳和捎帶確認機制，保證主備控制卡傳送數(shù)據(jù)的準確性。IP2通信協(xié)議中地址分別使用主備雙方的帶外MAC地址取代IP地址，并通過三次握手的方式建立連接。

控制通道是由私有的可靠通信協(xié)議HA提供的。它是一條獨立的專門用來傳輸HA控制報文的通道。用來防止在數(shù)據(jù)傳輸過程中，系統(tǒng)正常的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通信影響控制報文的通信，避免數(shù)據(jù)擁塞致使控制報文丟失或者延時后導致HA狀態(tài)機發(fā)生錯誤，從而保證主備狀態(tài)準確及時地切換。

2 主備數(shù)據(jù)同步

基于HA狀態(tài)機，主備數(shù)據(jù)同步分兩種情況，一種是實時同步，一種是批量同步。

1）數(shù)據(jù)的實時同步

主備數(shù)據(jù)的實時同步指的是線卡在業(yè)務(wù)進行中，向主控制卡發(fā)送信息。主控制卡會及時使用套接字轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到備用線卡。收到備控制卡回復后，確認備控制線卡收到數(shù)據(jù)，才會響應(yīng)業(yè)務(wù)線卡。而備用控制卡會和主控制進行同樣的操作，只是這些操作并不下發(fā)給線卡。這樣可以有效地提高同步的效率，保證主備控制卡的數(shù)據(jù)和狀態(tài)的一致，做到真正的無縫倒換。

2）數(shù)據(jù)的批量同步

數(shù)據(jù)的批量同步發(fā)生在控制卡插入系統(tǒng)初期。主控制卡上的配置文件同步到備控制卡的過程，此時備控制卡只處理來自主控制卡的報文，其他的控制報文全部丟棄，并且從軟件上關(guān)閉了備控制卡向業(yè)務(wù)卡發(fā)送數(shù)據(jù)的通道。該過程數(shù)據(jù)同樣是使用套接字在主備控制線卡間的獨立通道上進行傳輸，保證了數(shù)據(jù)的正確性。

3 主備倒換

本節(jié)從主備倒換條件、主備倒換流程、主備競爭、異常倒換處理方式這4方面來論述。

3.1 主備倒換條件

沒有了數(shù)據(jù)同步，整個步驟的主備倒換過程簡單了很多，只要滿足主備倒換的條件就可以進行正常的倒換，觸發(fā)條件包括：1）后臺的命令發(fā)起的倒換；2）前臺按鍵倒換；3）網(wǎng)口故障觸發(fā)的倒換；4）插拔卡引發(fā)的倒換[1-3]。

3.2 主備倒換流程

經(jīng)過以上論述可知，在基于HA的倒換系統(tǒng)里，關(guān)鍵步驟——數(shù)據(jù)同步過程是在倒換步驟外進行的，倒換的步驟僅剩下轉(zhuǎn)換主備控制卡標識。

在系統(tǒng)啟動初期，會創(chuàng)建一條控制卡之間消息交互的通道。在滿足倒換條件后，主控制卡會向備控制卡發(fā)起倒換消息，并會通知業(yè)務(wù)線卡和軟件層，且軟件層逐層向上層應(yīng)用發(fā)出倒換通知。最后主控制卡轉(zhuǎn)換自己的狀態(tài)到備控制卡，同時備控制卡轉(zhuǎn)換自己的狀態(tài)到主控制卡，并恢復正常工作。

3.3 主備倒換狀態(tài)機

協(xié)議規(guī)定，控制卡在系統(tǒng)的狀態(tài)有3種，分別為主控制卡狀態(tài)、備控制卡狀態(tài)和候選卡狀態(tài)。在控制卡插入系統(tǒng)的初期，都為候選卡狀態(tài)，此狀態(tài)沒有控制系統(tǒng)的權(quán)限。并且協(xié)議規(guī)定系統(tǒng)正常狀態(tài)下的任何時刻只允許一個控制卡控制系統(tǒng)，將這個卡稱為主控制卡，其余的控制卡稱為備份控制卡?？刂瓶顟B(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖2所示。

圖2 控制卡狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

當一塊控制卡插入系統(tǒng)并啟動后，狀態(tài)為候選卡。首先向控制通道廣播發(fā)送hello消息，通告自己的存在，如果系統(tǒng)中已經(jīng)存在主控制卡，那么將對這個卡發(fā)送hello reply，這塊新插入的控制卡收到該消息后就將自己設(shè)置為備份控制卡。

如果插入的控制卡發(fā)送3次hello消息后，沒有收到來自主控制卡的hello reply，也沒有收到主控制卡發(fā)送的周期性的hello消息，那么這塊控制卡就將自己的角色設(shè)置為主控制卡控制系統(tǒng)，并周期性地在控制卡使用的控制通道上廣播hello消息。

如果系統(tǒng)上電時就具備兩塊控制卡，由于初始時，兩塊控制卡都不是主控卡，通過發(fā)送hello包通信，知道了對方的存在。此時需要競爭選舉出主控制卡，選舉原則是根據(jù)槽位大小，選槽位號小的控制卡為主控制卡，發(fā)送hello reply包，通知另一塊候選卡狀態(tài)改變?yōu)閭淇刂瓶ǎ缓笤谥骺刂瓶ㄉ蠄?zhí)行正常工作。此時備指控卡只處理來自主控制卡的報文，并且關(guān)閉備控制卡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的通道。

當控制卡成為備份控制卡后，也需要周期地發(fā)送hello消息給主控制卡以通告自己的存在。主控制卡收到備份控制卡發(fā)送的hello消息，不需要回復hello reply。如果主控制卡在一定時間內(nèi)接收不到備份控制卡的hello消息，就認為備份控制卡已經(jīng)工作不正?；蛘卟淮嬖?。

如果主控制卡出現(xiàn)故障而沒有周期性地發(fā)送hello消息，當備份控制卡在設(shè)定時間內(nèi)沒有接收到主控制卡的hello消息時，備份控制卡就將變?yōu)橹骺刂瓶?。這樣的協(xié)商方式，即使在控制卡之間通道故障時，也不會出現(xiàn)雙備控制卡，系統(tǒng)無管理的現(xiàn)象[4]。

如果控制卡之間通道故障，出現(xiàn)雙主控現(xiàn)象。在通道恢復后，主控制卡收到hello消息時，發(fā)現(xiàn)hello消息的角色也是主控制卡，就會進行雙主控卡的選舉。若自己的槽位號比較小，那么發(fā)送hello reply包通知另一塊主控制卡狀態(tài)改變?yōu)閭淇刂瓶?，若自己的槽位號比對方大，那么設(shè)置自己的角色為備份控制卡[3]。

4 實驗及結(jié)果

實驗方法：使用Testcenter向高端交換機上的兩張業(yè)務(wù)線卡發(fā)送固定流量的數(shù)據(jù)包，測試卡的吞吐量。測試開始后telent主控制卡，主備倒換，看測試結(jié)果是否產(chǎn)生丟包。

步驟1：Testcenter上4個端口連接高端交換機上的的兩張業(yè)務(wù)線卡以兩兩發(fā)包的模式進行吞吐量的測試。配置如圖3～5所示。

圖3 拓撲圖

圖4 Testcenter配置1（截圖）

圖5 Testcenter配置2（截圖）

步驟2：telent到主控制卡，show主控狀態(tài)。

S4608#show ha statistic

Ha status:

Local ha:slot is 9,state is master

Peer ha:slot is 10,state is slave

步驟3：主備倒換。

S4608#rsp switch

WARNING:Are you sure to switch RSP！Continue?[y/n]

Switch RSP…

%Switch RSP Successfully.

S4608#

2100/01/01 06:26:37:Local status change:from 〈master〉 to 〈slave〉

2100/01/01 06:26:37:Peer status change:from 〈slave〉 to 〈master〉

S4608#show ha statistic

Ha status:

Local ha:slot is 9,state is slave

Peer ha:slot is 10,state is master

步驟4：測試停止后生成測試結(jié)果如圖6所示，查看是否有丟包。

圖6 Testcenter測試結(jié)果（截圖）

由實驗結(jié)果可知，整個過程telent沒有斷開，并可以持續(xù)地下配置命令。查看測試結(jié)果可知并未丟包，且可以完全實現(xiàn)無縫倒換。

5 結(jié)論

本文介紹的主備倒換方式相較于其他方式進行了改進，避免了主備倒換過程數(shù)據(jù)同步所花費的大量時間，確保了主備控制卡間數(shù)據(jù)的準確性，做到了整個系統(tǒng)在倒換前后維護的數(shù)據(jù)和狀態(tài)一致，使得倒換這個復雜的過程高度簡化，并且可靠性大大提高。

[1] 王繼剛，顧國昌，蘆東昕.高可靠性通信設(shè)備主備倒換軟件的設(shè)計[J].電信科學，2003（11）：19-22.

[2] 施世華，高西全，靳松杰，等.高可靠性通信設(shè)備的主備倒換設(shè)計[J].電子科技，2007（7）：47-50.

[3] 胡天驕，郭旭靜，王祖林.網(wǎng)管軟件主備切換協(xié)議的設(shè)計和驗證[J].電子質(zhì)量，2011（7）：26-29.

[4] 何先波，李志蜀，唐寧九，等.面向通信領(lǐng)域的主備倒換與數(shù)據(jù)同步技術(shù)[J].計算機應(yīng)用，2005（10）：2312-2314.