徐夢瓊,陳臨強

(杭州電子科技大學 計算機學院,浙江 杭州 310018)

基于SPB的實時備份技術

徐夢瓊,陳臨強

(杭州電子科技大學 計算機學院,浙江 杭州 310018)

針對SPB協(xié)議網絡中的分布式設備在發(fā)生故障時引起的用戶數據轉發(fā)中斷的問題,文中采用NSR技術,將主控板上的SPB協(xié)議數據進行報文封裝,利用高可靠性機制進行板間通信,實現實時數據備份。模擬實驗表明,當主控板發(fā)生故障時,備用主控板升級為新主控板,恢復備份數據,不會引起用戶數據轉發(fā)中斷。

SPB;分布式;不間斷轉發(fā);NSR

當今網絡中存在著大量分布式設備,該類設備一般配備兩塊主控板和多塊接口板,將控制業(yè)務和轉發(fā)業(yè)務嚴格分開。主控板負責設備的控制和管理平面業(yè)務,比如鏈路信息學習、路由計算等,而接口板則根據主控板的通知消息來維護轉發(fā)表項,并根據該表項進行數據轉發(fā)?？刂婆c轉發(fā)彼此獨立的分布式設備將業(yè)務完全分離,各自進行處理。因此在該類設備結構上可以實現當主控板由于硬件或者軟件發(fā)生故障而重啟,或者要進行軟件版本在線升級、協(xié)議重啟等因素導致的重啟時,備用主控板接替工作,而轉發(fā)業(yè)務依舊可以根據表項進行不間斷轉發(fā)。文獻[1]利用GR(Graceful Restart)平滑重啟實現了OSPF(Open Shortest Path First)的不間斷轉發(fā)功能。GR技術在設備主控板發(fā)生重啟時,通知周圍也具有GR能力的設備維持鄰接關系和路由信息不變,并協(xié)助本端進行數據恢復至重啟前狀態(tài),期間接口板正常轉發(fā),實現不間斷轉發(fā)功能。但GR技術需要具有支持GR功能的周邊設備配合才能使本端設備恢復數據,不僅獨立性不夠,而且應用場景也受到局限[2-4]。本文針對GR技術的缺陷,提出了一種新的不間斷轉發(fā)實時備份技術-NSR(Not-Stop Routing),并在SPB(Shortest Path Bridging)中得到了良好的應用。

1 SPB協(xié)議概述

SPB支持數據中心虛擬化后的大規(guī)模二層網絡,其借鑒三層協(xié)議IS-IS(Intermediate System-to-Intermediate System,中間系統(tǒng)到中間系統(tǒng))的思想,將其引入二層網絡,將二層的簡單、靈活與三層的穩(wěn)定、高性能和可擴展性相結合。從而建立一個大型而扁平的無阻塞二層網絡[5]。

SPB協(xié)議涉及控制和數據兩個工作平面。數據平面基于控制平面正常運行情況下才能進行。SPB的數據平面就是對用戶網絡的數據信息在SPB骨干網絡中進行轉發(fā),使其到達目的用戶網絡中。該工作就是將接收到的用戶數據報文進行SPB協(xié)議封裝[6-7]。

而對于SPB的控制平面就是生成用戶數據轉發(fā)的路徑,從而指導SPB的數據平面工作。而本文的NSR技術是將SPB協(xié)議的靜態(tài)配置數據和動態(tài)路由鏈路信息實時備份至分布式設備中的備板,從而提高SPB協(xié)議運行的容錯性[8]。

圖1 SPB協(xié)議骨干網絡圖

2 方法概述

NSR(Not-Stop Routing)技術,是一種分布式設備在主控板發(fā)生意外時,依舊能進行不間斷數據轉發(fā)的技

術。該技術核心利用實時備份思想,將主控板的控制數據實時備份至備用主控板上,使主、備兩塊板的數據始終保持一致。而當主控板發(fā)生故障,促使備用主控板升級為主控板期間進入NSR數據平滑階段,將實時備份的數據恢復,使得數據轉發(fā)不中斷[9-10]。實時備份流程如圖2所示。2.1 備份數據封裝

由圖2可以看到,支持NSR特性的應用進程使能該特性后,若需要備份的數據在運行過程中發(fā)生變化,如添加、刪除、更新等,NSR就需要將該數據進行一定的格式封裝,這樣讓備用主控板接收到數據消息后,能更好地進行數據解析,并正確的按類型進行備份。

圖2 NSR實時備份流程圖

備份數據根據TLV格式進行封裝。TLV(Type-Length-Value),T代表數據類型,占1 Byte;Length代表封裝數據信息的長度,也占1 Byte;Value就是代表封裝數據信息。主控板將備份數據進行TLV格式封裝以后,將其發(fā)送給備用主控板,備用主控板接收到消息后,進行TLV解析,當讀取Length字節(jié)時,根據該字節(jié)的長度信息,讀取Length長度的Value信息,并將該信息按照Type類型備份至備進程相應位置。在SPB的應用中,可以將SPB的控制數據分為以下幾種類型:

(1)BK_DATA_SPB_CFG:SPB視圖下的配置數據。

(2)BK_DATA_SPB_RUN:SPB的動態(tài)數據。

(3)BK_DATA_SPB_MSTP:SPB配合協(xié)議MSTP的域數據。

(4)BK_DATA_LSP_RUN:SPB的鏈路信息。

(5)BK_DATA_ADJ_RUN:SPB的鄰居狀態(tài)信息。

根據以上類型,進行SPB控制數據TLV封裝。并將封裝數據通過備份緩存發(fā)送至備用主控板上的備用SPB應用進程中進行數據實備。使用TLV封裝格式,避免了預先分配數據字段長度,當實際需封裝的數據信息量少而引起的帶寬浪費,提高了板間通信的靈活性。

2.2 板間通信

板間通信是成功進行實時備份的重要機制,它是主控板與備用主控板之間通信的橋梁,沒有該機制,NSR技術將無法實現。采用HA(High Available,高可靠性)機制,該機制是Linux Latch系列中的高可靠性解決方案,當主控板發(fā)生故障時,觸發(fā)HA進行故障檢測,通知備用主控板進行升級操作,從而進行主備倒換。根據這一原理,進行NSR實時備份時,先將備份數據存儲在緩存中,并主動觸發(fā)HA機制,使HA讀取緩存中的數據,然后發(fā)送給備用主控板,完成板間通信。而由于HA是一個獨立的系統(tǒng)進程,主控板將數據的實時備份委托給HA進程,使SPB實時備份過程在后臺操作,這樣SPB進程得到空閑,繼續(xù)處理SPB的控制業(yè)務。從而提高了業(yè)務處理的吞吐量。

3 NSR數據平滑

當主控板發(fā)生故障意外時,需進行主備倒換,備用主控板的應用進程需要進入NSR,進行數據平滑恢復,使得備用主控板升級成為主控板后,無縫接替原先主控板進行業(yè)控制務處理工作。

當HA檢測到主控板故障后,選取一塊備用主控板為新主控板。此時,原主控板進行降級操作,清除所有應用進程中的控制數據,降為備用主控板,等待新主控板的實時備份數據。而新主控板進行升級操作,數據平滑,將業(yè)務進程調用至運行態(tài),從而升級成為主控板,繼續(xù)處理控制平面的業(yè)務。而在升級過程中,新主進程需進入NSR數據平滑階段,按照備份數據信息主次順序進行階段性恢復,直到所有備份信息完全恢復,達到平穩(wěn)狀態(tài)。根據實際業(yè)務應用進行NSR階段劃分。本文根據SPB的應用實例,將NSR數據平滑階段分為7個階段:

(1)NSR初始階段。喚醒備用進程,即喚醒備SPB,使其進入運行狀態(tài)?；謴蚐PB視圖下的配置數據信息和動態(tài)數據,然后恢復SPB鄰居接口及其相關配置數據,同時恢復鄰居狀態(tài)信息,從而恢復SPB鄰居信息。根據恢復出的信息生成本端鏈路信息,并掛載在鏈路信息變化鏈表下。

(2)NSR數據平滑階段。分析備份數據中的鏈路信息,根據備份中鏈路信息的增刪改標記,將其做出對應增刪改操作,使其恢復至最終鏈路信息。

(3)NSR系統(tǒng)平穩(wěn)階段。根據(1)中的變化鏈表下的鏈路信息與(2)中平滑的備份鏈路信息,重新組裝成包括本地鏈路信息和非本地鏈路信息的整網鏈路信息。

(4)NSR鏈路報文生成與清理階段。將(3)中重新組裝的鏈路信息,生成報文,并刪除備份連表信息和變化鏈表信息。生成的報文將在NSR平滑結束后發(fā)送至周圍鄰居設備。

(5)NSR第一次路由計算階段。根據(3)中的恢復的鏈路信息,重新進行路由計算,得到最新的轉發(fā)路徑。

(6)NSR表項同步階段。與周邊設備進行表項同步,然后進行表項下發(fā)。

(7)NSR平滑結束。平滑結束,SPB繼續(xù)工作,發(fā)送鏈路報文,同時將重新恢復的數據實時備份至新備用主控板上。

根據以上7個平滑階段,NSR數據恢復不需要周圍設備的協(xié)助,就能較好地將SPB控制信息進行恢復。NSR平滑數據,保證了網絡設備在發(fā)生故障重啟時能進行不間斷的數據轉發(fā)。而其數據平滑階段可以根據實際應用進行劃分,結合SPB協(xié)議功能數據,將其劃分為7個等級。

4 NSR在SPB應用的實驗結果

NSR技術主要結合了SPB協(xié)議進行闡述,并在s12510X設備上,結合TestCenter測試儀進行模擬打流,驗證了NSR在發(fā)生故障情況下的不間斷轉發(fā)功能。模擬實驗結果對比顯示:不使能NSR特性的SPB進行主備倒換,TestCenter測試儀顯示流量發(fā)生中斷,如圖3和圖4所示;而使能NSR的SPB在進行主備倒換時,流量轉發(fā)不發(fā)生中斷,如圖5和圖6所示。

圖3 非NSR-SPB網絡主備倒換發(fā)生斷流

圖4 非NSR-SPB網絡主備倒換結束

圖5 NSR-SPB網絡主備倒換不發(fā)生斷流

圖6 NSR-SPB網絡主備倒換結束

5 結束語

本文提出了一種新的流量轉發(fā)不間斷技術,即NSR技術,并在SPB協(xié)議中進行了模擬驗證。NSR技術將分布式設備中主控板上的SPB控制數據進行TLV格式封裝,并利用HA機制實時備份至備用主控板上。當主控板發(fā)生故障時,備用主控板升級進入NSR數據平滑階段,用7個平滑階段將SPB數據進行平滑恢復,實現不間斷轉發(fā)功能。NSR技術不僅可以在SPB中得到應用,而且還可以結合具體協(xié)議應用于其他協(xié)議中。

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A kind of Real-Time Backup Technology Based on SPB

XU Mengqiong,CHEN Linqiang

(School of Computer Science,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China)

SPB’s distributed network equipment causes data forwarding interruption in the event of a failure.To solve this problem,this paper proposes a new non-stop data forwarding technology,NSR.By this technology,the SPB data on the control board is encapsulated,and communication between boards is done by reliable mechanisms and thus real-time data backup is achieved.Simulation shows that the standby board will become the control board when the control board breaks down to restore the backup data,thus avoiding the interruption of data forwarding.

SPB;distributed;non-stop data forwarding;NSR

2014- 09- 29

徐夢瓊(1989—),女,碩士研究生。研究方向:通信技術。E-mail:1004145681@qq.com

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.04.009

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