尹常紅 胡雅超 袁文波

摘要：在對(duì)BFD工作原理分析研究基礎(chǔ)上，結(jié)合武漢氣象信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)實(shí)際和要求，引入BFD技術(shù)，應(yīng)用BFD的雙向檢測(cè)機(jī)制，在出現(xiàn)線路故障時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)氣象通信網(wǎng)絡(luò)路由的快速收斂和通信線路的瞬時(shí)切換，確保氣象信息網(wǎng)絡(luò)傳輸穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：BFD；OSPF；路由收斂

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）07-0240-04

Abstract： On the basis of our analysis about BFD， considered the requirement and actual situation on the construction of Wuhan meteorological information network， we introduced the BFD technology and applied the bidirectional detection mechanism of BFD. When a line fault occurs， the meteorological communication lines can be switched immediately，after the fast routing convergence ended. It will ensure the meteorological information network runs stably.

Key words： BFD；OSPF；routing convergence

1 引言

現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，對(duì)氣象信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信質(zhì)量提出了更高的要求，氣象信息網(wǎng)絡(luò)承載了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、圖形圖像、音視頻信息以及公文文件的實(shí)時(shí)傳輸，氣象信息網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定可靠是氣象業(yè)務(wù)服務(wù)的基礎(chǔ)支撐。為了確保一些實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)不中斷，除了建設(shè)通信備份鏈路之外，還需要在故障發(fā)生時(shí)快速切換到備份鏈路。快速切換不僅包括通道的切換，也包含通信路由的收斂與重新發(fā)現(xiàn)后的刷新。鏈路的自動(dòng)切換應(yīng)用較容易實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵是需要能建立一套有效的故障檢測(cè)機(jī)制，在故障發(fā)生后，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)，迅速采取措施，斷開(kāi)無(wú)效路由，建立起新的通信路由。

2 氣象信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

2.1網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)現(xiàn)狀

經(jīng)過(guò)近幾年來(lái)連續(xù)的升級(jí)改造，武漢市氣象局已建成了以MPLS（Multi-Protocol Label Switching，多協(xié)議標(biāo)簽交換）、MSTP（Multi-Service Transfer Platform，基于SDH的多業(yè)務(wù)傳送平臺(tái)）、MPLS-VPN混合方式的氣象廣域網(wǎng)系統(tǒng)，市、區(qū)兩級(jí)氣象系統(tǒng)均以CE（Customer Edge，用戶(hù)邊緣設(shè)備）的方式接入移動(dòng)MPLS VPN網(wǎng)，MPLS VPN線路作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹骶€路；備份模式下，各區(qū)氣象通過(guò)電信MSTP 10M線路匯聚至市氣象局，市氣象局通過(guò)電信MSTP 10M線路匯聚至省氣象局。

氣象廣域網(wǎng)中需要數(shù)據(jù)傳輸或交換業(yè)務(wù)種類(lèi)較多，其中有各類(lèi)觀測(cè)數(shù)據(jù)、預(yù)報(bào)產(chǎn)品、辦公信息、音視頻流等。根據(jù)業(yè)務(wù)工作需要，從武漢市氣象局到湖北省氣象局建立了兩條互為備份的通信線路，在兩條線路都正常的前提下，根據(jù)不同業(yè)務(wù)傳輸對(duì)帶寬、時(shí)延等要求的高低，通過(guò)策略路由或者其方式使該項(xiàng)業(yè)務(wù)運(yùn)行在優(yōu)先運(yùn)行于某條線路上。如視頻會(huì)商要求時(shí)延低，因此適合將該項(xiàng)業(yè)務(wù)放在電信MSTP線路上運(yùn)行，而對(duì)于帶寬要求大，時(shí)延要求不是很高的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，則適合放在MPLS VPN運(yùn)行。

2.2通信穩(wěn)定性要求

武漢市氣象業(yè)務(wù)服務(wù)系統(tǒng)很多需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，天氣視頻會(huì)商系統(tǒng)更要求了音視頻的連續(xù)不中斷。這些業(yè)務(wù)對(duì)氣象通信的穩(wěn)定性提出了要求。

在通信傳輸中，影響通信質(zhì)量的既有鏈路現(xiàn)狀、用戶(hù)終端、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等硬件因素，也有網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行協(xié)議、技術(shù)策略應(yīng)用等軟件原因。為了確保網(wǎng)絡(luò)傳輸穩(wěn)定，在硬件方面可以采取設(shè)備冗余備份、骨干鏈路捆綁、選用支持熱插拔的核心設(shè)備等措施；在網(wǎng)絡(luò)策略應(yīng)用等軟件方面需要體現(xiàn)快速故障發(fā)現(xiàn)能力、業(yè)務(wù)快速保護(hù)切換技術(shù)、路由協(xié)議的快速收斂等等。

為了保證一些氣象實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生通信故障時(shí)，就要求網(wǎng)絡(luò)設(shè)備必須迅速檢測(cè)出故障，并在第一時(shí)間將業(yè)務(wù)傳輸切換至備份鏈路，以加快網(wǎng)絡(luò)路由的收斂速度。在進(jìn)行故障快速檢測(cè)中，既需要硬件設(shè)備的支持，同時(shí)也需要相關(guān)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和技術(shù)的應(yīng)用。在目前IP網(wǎng)絡(luò)中的慢hello機(jī)制的路由協(xié)議的檢測(cè)中，不能滿足氣象業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)通信的要求。在武漢市氣象信息網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，采用了BFD（Bidirectional forwarding detection ， 雙向轉(zhuǎn)發(fā)檢測(cè)）技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)故障快速檢測(cè)與瞬時(shí)切換。

3 BFD在氣象信息網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

3.1 BFD技術(shù)簡(jiǎn)介

BFD協(xié)議是一個(gè)通用的、標(biāo)準(zhǔn)化的快速故障檢測(cè)機(jī)制，與介質(zhì)無(wú)關(guān)，與協(xié)議無(wú)關(guān)，專(zhuān)注于故障快速檢測(cè)，且輕負(fù)荷，專(zhuān)注于轉(zhuǎn)發(fā)平面檢測(cè)，為上層控制協(xié)議提供檢測(cè)服務(wù)，自身不作為，無(wú)發(fā)現(xiàn)機(jī)制，由上層協(xié)議提供鄰居信息。

BFD在路由鄰居檢測(cè)中通過(guò)周期性發(fā)送檢測(cè)報(bào)文來(lái)判斷路由鄰居的連通性。如果本端設(shè)備在某個(gè)特定的時(shí)間內(nèi)未收到對(duì)端設(shè)備發(fā)送的檢測(cè)報(bào)文，系統(tǒng)就此判斷在由此及彼相鄰的雙向通道的某個(gè)部分發(fā)生了通信故障。為了降低系統(tǒng)運(yùn)行的負(fù)荷，BFD在發(fā)送和接收檢測(cè)報(bào)文的速率需要進(jìn)行協(xié)商，也能根據(jù)需要適當(dāng)調(diào)整，來(lái)適應(yīng)整條鏈路中各類(lèi)協(xié)議的不同要求。

BFD會(huì)話的觸發(fā)過(guò)程包括以下三步：一是上層協(xié)議發(fā)現(xiàn)鄰居，比如OSPF；二是上層協(xié)議通知BFD與鄰居建立會(huì)話；三是BFD與鄰居建立起會(huì)話。BFD建立會(huì)話分為主動(dòng)模式和被動(dòng)模式。BFD主動(dòng)模式建立會(huì)話前，不管是否收到對(duì)端控制報(bào)文，本端都主動(dòng)發(fā)送控制報(bào)文；被動(dòng)模式建立對(duì)話前，本端不主動(dòng)發(fā)送控制報(bào)文，直到收到對(duì)端發(fā)送來(lái)的控制報(bào)文。會(huì)話建立后，BFD協(xié)議實(shí)現(xiàn)雙向檢測(cè)機(jī)制，工作模式又分為異步模式和查詢(xún)模式。異步模式下，路由設(shè)備之間相互周期性地發(fā)送控制報(bào)文，本端設(shè)備在一定檢測(cè)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到對(duì)端發(fā)來(lái)的控制報(bào)文，就宣布會(huì)話Down掉；查詢(xún)模式下，先假定每個(gè)設(shè)備確認(rèn)它連接到其他設(shè)備，建立BFD會(huì)話，停止發(fā)送控制報(bào)文，如果某個(gè)設(shè)備需要驗(yàn)證連接性，則發(fā)送控制報(bào)文來(lái)查詢(xún)，如果未收到返回的控制報(bào)文就判斷為Down。

BFD在兩臺(tái)網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備上建立會(huì)話后，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鏈路中的雙向轉(zhuǎn)發(fā)路由，并為上層協(xié)議服務(wù)，比如OSPF。BFD不像OSPF那樣，它沒(méi)有發(fā)現(xiàn)機(jī)制，必須依賴(lài)上層協(xié)議通知建立會(huì)話，會(huì)話建立后根據(jù)報(bào)文返回的實(shí)際情況來(lái)判斷鏈路是否發(fā)生故障，并能在發(fā)生故障后及時(shí)通知上層協(xié)議，由上層協(xié)議采取行動(dòng)。BFD在監(jiān)測(cè)到鏈路故障后，隨即拆除鄰居會(huì)話，并立即通知上層OSPF協(xié)議，OSPF則迅速進(jìn)行收斂處理，再次重新計(jì)算路由并選擇備用路徑。

BFD能夠快速檢測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)故障，幫助網(wǎng)絡(luò)以良好的QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）實(shí)現(xiàn)氣象實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的高可靠性傳輸，大大提高氣象通信網(wǎng)絡(luò)的性能。

3.2 BFD技術(shù)應(yīng)用

3.2.1 OSPF

武漢市、區(qū)氣象網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行MPLS L3 VPN，市、區(qū)氣象局全部作為CE接入，湖北省氣象局作為武漢市氣象局的MSTP線路匯聚接入，武漢市局作為下轄各區(qū)氣象局MSTP線路匯聚接入。

根據(jù)湖北省氣象局統(tǒng)一規(guī)劃，在全省氣象業(yè)務(wù)寬帶網(wǎng)中，配置三個(gè)OSPF進(jìn)程，其中接入移動(dòng)的MPLS VPN線路運(yùn)行OSPF 10，電信MSTP線路運(yùn)行OSPF 20，省、市、區(qū)氣象局域網(wǎng)運(yùn)行OSPF 1。OSPF路由結(jié)構(gòu)如圖1。

在武漢市氣象局，將OSPF 10和OSPF 20的路由引入至OSPF 1；將OSPF 1的路由引入至OSPF 10和OSPF 20，引入時(shí)配置過(guò)濾策略，引入局域網(wǎng)的路由，同時(shí)將武漢市局下轄各區(qū)氣象局局域網(wǎng)路由進(jìn)行聚合后配置為下一跳為NULL 0，并分別引入至OSPF 10和20。武漢市氣象局?jǐn)?shù)據(jù)通信流程如圖2。

在武漢市氣象局的信息通信網(wǎng)關(guān)上H3C 6000上配置以下路由信息：

#

ospf 1 router-id 172.31.212.254

import-route static route-policy ShiJu-TO-OSPF1

import-route ospf 10

import-route ospf 20

preference 180

preference ase 190

area 0.0.7.220

network 10.108.64.0 0.0.0.255

network 10.108.67.0 0.0.0.127

……

#

ospf 10 router-id 172.31.212.254

import-route direct route-policy Direct_to_OSPF10/20

import-route static route-policy S-TO-OSPF

area 0.0.0.0

network 172.31.75.44 0.0.0.3

network 172.31.101.180 0.0.0.3

#

ospf 20 router-id 172.31.212.254

import-route direct route-policy Direct_to_OSPF10/20

import-route static route-policy S-TO-OSPF

preference ase 170

area 0.0.0.0

network 172.31.72.44 0.0.0.3

#

……

ip route-static 10.108.64.0 21 10.108.67.2 tag 1000

ip route-static 10.108.96.0 22 NULL0 tag 2000 description JiangXia

ip route-static 10.108.100.0 22 NULL0 tag 2000 description XinZhou

……

ip route-static 172.20.48.0 24 10.108.67.2 tag 1000

……

#

在各區(qū)氣象局，將OSPF 10和OSPF 20的路由引入至OSPF 1；將OSPF 1的路由引入至OSPF 10和OSPF 20，引入時(shí)必須配置過(guò)濾策略，只引入局域網(wǎng)的路由。

在各區(qū)氣象局核心信息通信網(wǎng)關(guān)H3C 3000s配置以下命令：

#

ospf 1

import-route ospf 10

preference 180

preference ase 190

area 0.0.7.220

network 10.108.120.0 0.0.3.255

network 192.168.176.36 0.0.0.3

#

ospf 10

import-route direct route-policy Direct_to_OSPF10

area 0.0.0.0

network 172.31.101.204 0.0.0.3

……

3.2.2 路由收斂

在武漢市氣象局與湖北省氣象局的業(yè)務(wù)通信中，采用MSTP線路作為主用線路，當(dāng)其出現(xiàn)故障后，路由器無(wú)法及時(shí)偵測(cè)到故障，原來(lái)配置運(yùn)行在該線路上的靜態(tài)路由不能立即失效，因此導(dǎo)致ip路由不能盡快切換到備份線路上，運(yùn)行在MSTP線路的業(yè)務(wù)將出現(xiàn)中斷，這對(duì)一些實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，包括音視頻類(lèi)業(yè)務(wù)產(chǎn)生較大影響。

引入BFD，采用BFD與靜態(tài)路由聯(lián)動(dòng)來(lái)解決上述問(wèn)題。在MSTP線路兩端配置BFD后，BFD周期發(fā)送控制包，實(shí)時(shí)檢測(cè)鏈路情況，如出現(xiàn)故障在極短時(shí)間內(nèi)（毫秒級(jí)）會(huì)被偵測(cè)到，BFD將會(huì)立即通知上層路由系統(tǒng)，將與之聯(lián)動(dòng)的那條靜態(tài)路由立即失效，路由也隨之切換至另外備份鏈路。

以下以配置在武漢市局信息通信網(wǎng)關(guān)H3C 6000上的命令為例，BFD檢測(cè)從IP 172.31.72.45（位于湖北省氣象局）到IP 172.31.72.46（位于武漢市氣象局）的這一段光路，在鏈路故障時(shí)，立即斷開(kāi)到目標(biāo)地址10.104.28.0/24（Lotus Notes辦公系統(tǒng)）的靜態(tài)路由，交由上層路由系統(tǒng)切換到備份鏈路。

#

……

ip route-static 10.104.28.0 24 172.31.72.45 bfd control-packet bfd-source 172.31.72.46

……

3.2.3 切換測(cè)試

測(cè)試了BFD與靜態(tài)路由聯(lián)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在未配置BFD的情況下，在通信鏈路故障時(shí)，原先配置的靜態(tài)路由不可達(dá)，但又不能立即失效，因此反映為請(qǐng)求超時(shí)，直至重新更新路由為止，如圖3。圖4所示情形為配置了BFD的時(shí)候，通信鏈路故障，先前配置的靜態(tài)路由立即失效，BFD通知上層路由立即更新路由，切換至備份鏈路，在數(shù)據(jù)包的傳輸上只是表現(xiàn)出了時(shí)延，但是未丟包。本文的試驗(yàn)只是作了一個(gè)初步的測(cè)試，未做精確的延時(shí)測(cè)試。

3.3 應(yīng)用討論

通信鏈路常見(jiàn)的故障檢測(cè)機(jī)制一是通過(guò)硬件檢測(cè)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如通過(guò)SDH告警信息檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，效率較高，但是并非支持所有設(shè)備；二是依靠上層協(xié)議的HELLO報(bào)文機(jī)制進(jìn)行檢測(cè)，但是效率較低，對(duì)于實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)傳輸不適用。

采用BFD技術(shù)能有效實(shí)現(xiàn)，且不過(guò)分依賴(lài)硬件系統(tǒng)。尤其采用BFD與OSPF相結(jié)合，交互工作，效果更好。OSPF通過(guò)HELLO機(jī)制發(fā)現(xiàn)鄰居并建立連接，然后將鄰居的參數(shù)及檢測(cè)參數(shù)都通告給BFD，BFD根據(jù)收到的參數(shù)并建立鄰居。在故障發(fā)生時(shí)，通過(guò)BFD的快速檢測(cè)，回告OSPF后OSPF重新發(fā)現(xiàn)鄰居并刷新路由表，BFD能大大縮小路由收斂時(shí)間。當(dāng)然BFD協(xié)議故障檢測(cè)發(fā)現(xiàn)機(jī)制也在一定程度上增加了設(shè)備負(fù)擔(dān)和管理開(kāi)銷(xiāo)，尤其是在網(wǎng)絡(luò)中存在多種路由協(xié)議時(shí)，需要采用多個(gè)BFD進(jìn)行檢測(cè)，網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)進(jìn)一步增加。因此在整條鏈路的設(shè)計(jì)中，BFD的工作效率與設(shè)備處理能力需要進(jìn)行權(quán)衡。

4 結(jié)束語(yǔ)

武漢市氣象信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，在OSPF動(dòng)態(tài)路由的基礎(chǔ)上，引入BFD技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了路由的快速收斂與瞬時(shí)切換，確保了信息傳輸?shù)倪B續(xù)。BFD在氣象信息網(wǎng)絡(luò)通信傳輸中與OSPF以及其他上層協(xié)議結(jié)合應(yīng)用能明顯提高氣象信息網(wǎng)絡(luò)的可靠性，在應(yīng)對(duì)故障處理時(shí)效率更高。雖然BFD在周期性發(fā)送檢測(cè)包會(huì)對(duì)設(shè)備造成一定的負(fù)荷，但是在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備處理能力日漸強(qiáng)大的情形下，仍不失為一種較好地快速解決通信故障的方式。

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