山東勞動職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程系　杜秀芳

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ISSU過程中的不兼容升級

山東勞動職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程系杜秀芳

【摘要】本文介紹了一種高端路由器的在服務(wù)升級方案，同時還提出了消息不兼容場景下的在服務(wù)升級方案，使運營商客戶在版本升級切換時的業(yè)務(wù)中斷時間盡可能短，具有商業(yè)價值。

【關(guān)鍵詞】ISSU；高可靠性；路由器；軟件升級

0　引言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，4K、LTE等技術(shù)對帶寬的要求越來越高，廣大的網(wǎng)絡(luò)用戶對帶寬的需求量越來越大，運行商為了滿足用戶的需要，從而進行新一輪的技術(shù)革新和設(shè)備升級，以滿足帶寬和新業(yè)務(wù)特性的需求。在更新設(shè)備軟件的方式上，越來越多的公司都開始支持ISSU技術(shù)（In-Service Software Upgrade）,利用ISSU技術(shù)可以實現(xiàn)在軟件升級的過程中，大大減少業(yè)務(wù)的恢復(fù)時間，提高設(shè)備的無故障運行時間，從而降低了升級的成本，提高了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的可靠性。本文涉及的設(shè)備形態(tài)主要是路由器。

1　基于熱備份技術(shù)的ISSU實現(xiàn)

1.1HA技術(shù)

不間斷業(yè)務(wù)升級技術(shù)是在高可靠性技術(shù)（HA）的技術(shù)上發(fā)展起來的，不得不提一下HA技術(shù)的實現(xiàn)。如圖1所示，在硬件上，HA技術(shù)需要系統(tǒng)有兩塊主控板，用于做1:1的互為備份，處理實際路由事務(wù)和轉(zhuǎn)發(fā)的板子稱為主板（Master），處于備份等待并且可以隨時接管主板工作的板子稱為備板（Slave）。在主板上部署的進程稱為主進程，在備板上部署的進程稱為備進程。主進程和備進程是一一對應(yīng)的，每對主備進程稱為一個保護組。HA技術(shù)解決的是主備進程和主備板之間的可靠性問題，主要技術(shù)點包括系統(tǒng)批量備份、系統(tǒng)實時備份和主備倒換技術(shù)。

圖1　HA原理

（1）批量備份

系統(tǒng)批量備份的過程如圖2所示，在整個設(shè)備啟動之初，主板先啟動，備板向主板注冊后，開始做第一次主備板之間的數(shù)據(jù)同步，具體是通過每個保護組之中的主備進程之間的數(shù)據(jù)同步來完成。目的是批量獲取主板的配置數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，以便能夠隨時恢復(fù)主板的業(yè)務(wù)。批量備份的發(fā)起者是HA管理模塊，HA管理模塊通知主板“備板已經(jīng)啟動成功，可以發(fā)起批量備份”，然后主板HA管理模塊通知他說管理的各個業(yè)務(wù)模塊向自己的備模塊發(fā)起備份，所有模塊備份結(jié)束后，HA管理模塊認為整個批量備份過程結(jié)束，記錄狀態(tài)。批量備份的實現(xiàn)是通過主板各個進程與備板各個進程的消息實現(xiàn)的。

圖2　批量備份過程

（2）實時備份

批量備份完成后，所有主進程進入運行態(tài)，處于運行態(tài)的主進程還是會不斷處理業(yè)務(wù)（路由更新、拓撲變化等），備進程的數(shù)據(jù)還是會與主進程不同。如果主進程發(fā)生異常，那么備進程升主后還是有一段時間需要恢復(fù)數(shù)據(jù)，而這個過程也是會影響業(yè)務(wù)處理的。為了減少這個時間，使設(shè)備盡快能恢復(fù)業(yè)務(wù)，備進程需要經(jīng)常性的同步主進程新生成的數(shù)據(jù)，這個過程稱為實時備份。實時備份是由業(yè)務(wù)的主進程發(fā)起的，當(dāng)主進程的狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)生變化的時候，會同時通知備進程接收這部分新數(shù)據(jù)。這部分數(shù)據(jù)的同步也是有主備進程之間的消息通信完成的。

（3）主備倒換

當(dāng)主進程發(fā)生異常的時候，可以通過主板重啟，同時備板所有進程由備身份升為主身份完成業(yè)務(wù)的平滑切換，這個過程稱為主備倒換。

1.2ISSU實現(xiàn)過程

ISSU的完整過程包括上傳升級包、升級前環(huán)境檢查、運行包替換、升級確認四個過程。

（1）上傳升級包

這個過程中由用戶通過ftp協(xié)議上傳升級包到設(shè)備的存儲空間中，以便升級需要，這個過程需要確保主控板有足夠的空間。

（2）升級前環(huán)境檢查

升級前檢查為了檢測當(dāng)前運行環(huán)境是否滿足升級條件，包括主備板的磁盤空間、各個接口板的磁盤空間、CPU占用率、各個板子的內(nèi)存剩余空間。只有所有條件都滿足升級的最低標準才能正常進行下一步的升級過程。

（3）運行包替換

運行包替換過程的目標是真正把系統(tǒng)中運行的進程以新版本的程序啟動，這個過程分為主控板替換過程和接口板替換過程，先進行主控板的替換過程。具體過程如下：

第一步：將升級包解壓縮（這個時候升級包只在主控板磁盤上）；

第二步：將解壓縮后的軟件實體（包括可運行程序、腳本和lib等）分發(fā)到各個單板；

第三步：主控板的備板以升級包中的程序啟動，啟動完成后，進行主備程序之間的數(shù)據(jù)備份，進行主備倒換；

第四步：接口板以新版本程序創(chuàng)建備進程，進行主備程序之間的數(shù)據(jù)備份，然后進行主備倒換，至此，完成整個系統(tǒng)的主用平面的程序替換，也就是說功能上整個設(shè)備已經(jīng)替換成新版本的程序，后面的就是驗證過程。

（4）升級確認

該過程的是目的是驗證升級的結(jié)果，在這個過程中還是可以回退到老版本的程序。升級確認過程中，需要查看設(shè)備運行狀態(tài)、轉(zhuǎn)發(fā)和路由狀態(tài)、CPU和各個業(yè)務(wù)功能是否正常，如果一切都正常，那么就可以確認升級。確認升級之后，系統(tǒng)的備平面也會整體替換成新版本的程序，從而整個設(shè)備的所有程序都完成了新版本軟件的替換。

2　ISSU技術(shù)面臨的問題

基于HA技術(shù)實現(xiàn)的ISSU的完成依賴于HA技術(shù)的可靠，HA技術(shù)的主要環(huán)節(jié)就是數(shù)據(jù)備份，而數(shù)據(jù)備份能否成功的關(guān)鍵點是主備模塊之間的備份消息能否正確處理。參考上面運行包替換過程中提到的第三步，在備板程序以新版本啟動后，開始的備份過程發(fā)生的主備雙方的版本分別是：主程序舊版本，備程序新版本，所以這個通信過程就是兩個版本之間的通信。一般情況下，版本升級的周期是半年以上（通常是一年到兩年），版本之間總會有一定的差距，這就會導(dǎo)致新版本的程序在收取老版本消息的時候處理出錯。

舉例來說，如圖3所示，新版本數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，數(shù)據(jù)報文新版本相對舊版本增加一個c字段，并且c字段加入的位置放在了a和b之間，這會導(dǎo)致新版本在解析數(shù)據(jù)包時，會錯誤的把原來報文中的b當(dāng)成c來解析，從而導(dǎo)致業(yè)務(wù)邏輯的錯誤。這種由新舊版本消息格式變更導(dǎo)致的消息無法正確解析稱作消息不兼容，把新版本程序?qū)τ谂f版本程序的這種差異稱作不兼容變更。當(dāng)在ISSU過程里面的新舊雙方發(fā)生了消息不兼容，就是新啟動的備程序從舊的主程序那邊獲取了錯誤的數(shù)據(jù)（通過備份消息），會導(dǎo)致業(yè)務(wù)本身的錯誤，最終導(dǎo)致整個ISSU過程失敗。ISSU最容易發(fā)生的失敗就在于此。

圖3　消息格式變化

3　消息不兼容下的ISSU解決方案

要解決消息不兼容的問題，分為兩個部分：一是基于運行程序的版本號管理，從而能夠在ISSU開始之前就能夠判斷出該次升級的ISSU過程中是否包含著消息不兼容的程序；二是支持在消息不兼容的場景下進行ISSU。

3.1基于運行程序的版本號管理

在大包版本的基礎(chǔ)上，對程序本身的文件進行版本編號管理，采用兩級版本號管理：X.Y。其中X 和Y為整數(shù)，當(dāng)版本變化時，X和Y的數(shù)值依次增大。規(guī)定當(dāng)發(fā)生不兼容變更時，X增加1，當(dāng)版本的程序的變化與之前的版本兼容時，Y增加1。

舉例來說，對于程序librm.so，初始版本為1.0，發(fā)生了三次版本變更，第一次變更為兼容變更，第二次變更為不兼容變更，第三次變更為兼容變更，則這三次該程序的版本號分別為：librm.so 1.1，librm.so 2.0，librm.so 2.1。

3.2支持消息不兼容下的ISSU

當(dāng)存在消息不兼容的程序時，采用不備份的方式完成主備程序替換的過程。ISSU過程中的運行包替換過程改進為如下步驟：

第一步：將升級包解壓縮（這個時候升級包只在主控板磁盤上）；

第二步：將解壓縮后的軟件實體（包括可運行程序、腳本和lib等）分發(fā)到各個單板；

第三步：主控板的備板以升級包中的程序啟動，啟動完成到初始化階段完成后，不進行備份，以新版本程序復(fù)位不兼容的主進程。對于兼容的進程還是按照之前的方式操作，讓不兼容造成的影響降低到進程級別；

第四步：接口板以新版本程序啟動程序。

在這種方式下的實現(xiàn)的ISSU是有損的，但是也能保證以最小的損失進行。

4　結(jié)束語

本文介紹的技術(shù)方案解決了路由器ISSU升級中，消息不兼容場景下的升級問題，縮短了業(yè)務(wù)中斷的時間，能夠給電信客服帶來實際的商業(yè)價值。

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杜秀芳（1982—），女，碩士研究生，初級職稱，山東勞動職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程系專任教師。

作者簡介：