胡俊祥，張問謙，王強

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣州 510663）

基于VRRP的衛(wèi)星基帶設(shè)備高可用方案設(shè)計

胡俊祥，張問謙，王強

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣州 510663）

介紹HaigeSat衛(wèi)星基帶設(shè)備和VRRP協(xié)議，針對HaigeSat基帶設(shè)備進行1：1熱備份方案設(shè)計，解決并優(yōu)化不同模式下的切換問題。

衛(wèi)星基帶設(shè)備；1：1熱備份；VRRP；中頻倒置開關(guān)

1 概述

1.1 目的

衛(wèi)星通信鏈路由于其通信距離遠、傳輸數(shù)據(jù)能力強、頻譜資源珍貴等特點，在網(wǎng)絡(luò)中往往會作為跨區(qū)域主干鏈路來傳輸高價值數(shù)據(jù)。通信中斷往往會對用戶造成較大的損失，尤其在某些特殊應(yīng)用場景如航天控制、新聞直播、應(yīng)急指揮等對哪怕幾秒鐘的通信鏈路中斷都會導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。為了提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)的可靠性，對衛(wèi)星通信中的關(guān)鍵設(shè)備進行高可用性（H.A，High Availability）設(shè)計是完全必要的也是可行的，這樣可以從根本上避免因單臺基帶設(shè)備故障而導(dǎo)致通信鏈路完全中斷的情況。目前國外主流衛(wèi)星通信基帶設(shè)備大多能提供1：1或1：N的熱備份手段，可以通過兩臺或多臺同樣型號的設(shè)備再加上一個多端口的射頻倒置開關(guān)組成1：1或1：N備份配置。在對國外設(shè)備研究和借鑒后，本文針對海格通信公司研制的HaigeSat系列衛(wèi)星通信基帶設(shè)備進行1：1熱備份高可用性設(shè)計。

1.2 HaigeSat衛(wèi)星基帶設(shè)備介紹

HaigeSat衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器（下文簡稱基帶設(shè)備），能在通信衛(wèi)星的覆蓋范圍內(nèi)提供點到點或組網(wǎng)的高速數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。采用L中頻接口（950MHz～1750MHz），支持C、Ku、Ka等多種頻段衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，并通過收發(fā)饋線對室外設(shè)備（包括BUC和LNB）提供10MHz參考時鐘和24V直流電源?；鶐гO(shè)備面向標(biāo)準(zhǔn)IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，提供標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口，為用戶解決遠距離、跨區(qū)域通信的問題。基帶設(shè)備的工作原理框圖如下：

基帶設(shè)備部署在衛(wèi)星地球站，可以配置工作在二層或三層模式，起到地面網(wǎng)口和衛(wèi)星網(wǎng)口中繼轉(zhuǎn)換的作用。其和地球站其他設(shè)備的連接關(guān)系如下：

圖2 衛(wèi)星通信設(shè)備連接關(guān)系圖

基帶設(shè)備具備兩種類型的接口——數(shù)據(jù)和中頻。數(shù)據(jù)接口為一個10M/100M自適用以太網(wǎng)口，用于連接用戶數(shù)據(jù)設(shè)備，如計算機、視頻編解碼器、交換機、路由器等。中頻接口為L中頻接口，分別提供發(fā)射和接收兩個接口用于連接衛(wèi)星上行鏈路和下行鏈路，并能為上行鏈路設(shè)備和下行鏈路設(shè)備提供電源和時鐘。

1.3 總體設(shè)計

為了實現(xiàn)基帶的1：1熱備份，我們需要兩臺同時工作的基帶設(shè)備，在檢查自身或?qū)Ψ焦ぷ鳡顟B(tài)的同時，能夠?qū)?shù)據(jù)和中頻的信號進行無縫切換。其原理框圖如圖3所示：

圖3 基帶設(shè)備1：1熱備份框圖

兩臺基帶設(shè)備一臺標(biāo)識為主用設(shè)備負責(zé)所有業(yè)務(wù)處理，另一臺標(biāo)識為備用設(shè)備處于監(jiān)聽和待機狀態(tài)。一旦主要設(shè)備發(fā)生了故障，備用設(shè)備能在短時間內(nèi)切換成主用設(shè)備，接管所有業(yè)務(wù)。當(dāng)主用設(shè)備恢復(fù)后，備用設(shè)備重新切換為待機工作狀態(tài)，由主用設(shè)備重新接管所有業(yè)務(wù)。

要實現(xiàn)上述自動切換功能，需要解決三個技術(shù)問題：IP數(shù)據(jù)流切換、中頻倒置切換（包含饋鐘饋電）、切換策略。

（1）IP數(shù)據(jù)流切換。TCP/IP協(xié)議中，局域網(wǎng)中數(shù)據(jù)尋址主要是根據(jù)數(shù)據(jù)鏈層的MAC地址，其中MAC地址的發(fā)現(xiàn)和管理是通過ARP協(xié)議來實現(xiàn)。要改變IP數(shù)據(jù)流可以從ARP協(xié)議里面來做文章，通過自動更新各設(shè)備上的ARP表來實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的切換。VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol，虛擬路由冗余協(xié)議）協(xié)議是一個用以解決局域網(wǎng)中配置靜態(tài)網(wǎng)關(guān)出現(xiàn)單點失效現(xiàn)象的路由協(xié)議，其正是通過主動發(fā)起ARP更新來實現(xiàn)數(shù)據(jù)流切換，在第2節(jié)會對該協(xié)議進行詳細的介紹。

（2）中頻倒置切換。由于衛(wèi)星通信上行和下行鏈路各只有一路，從理論上分析兩臺設(shè)備只應(yīng)其中一臺接入上行和下行鏈路，并為室外單元提供饋鐘和饋電。但由于無線通信的傳輸特點，對于下行信號多個設(shè)備同時接收并不會對數(shù)據(jù)解調(diào)產(chǎn)生任何影響，相反兩個設(shè)備同時接收一個信號，可以更好的對比設(shè)備的工作狀態(tài)。因此可以設(shè)計為兩臺設(shè)備同時接收解調(diào)，但限制備用設(shè)備的網(wǎng)口數(shù)據(jù)發(fā)送。對于上行信號，也可以選擇兩臺設(shè)備切換或信號合成的方式，兩種方式都有其應(yīng)用的需求，將在后續(xù)設(shè)計中進一步分析。

（3）切換策略。故障檢測是切換的先決條件，VRRP已經(jīng)有完整的機制應(yīng)對設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)失效，但對設(shè)備的性能指標(biāo)下降、非網(wǎng)絡(luò)功能故障則無能為力，因此我們可以在VRRP檢查調(diào)度的基礎(chǔ)上結(jié)合設(shè)備功能性能特點，進一步優(yōu)化切換策略。

基于上述分析，我們設(shè)計基帶設(shè)備1：1熱備份方案如圖4所示：

圖4 基帶設(shè)備1：1熱備份框圖

2 VRRP協(xié)議

2.1 協(xié)議介紹

VRRP是由IETF提出的解決局域網(wǎng)中配置靜態(tài)網(wǎng)關(guān)出現(xiàn)單點失效現(xiàn)象的路由協(xié)議，1998年已推出正式的RFC2338協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。VRRP廣泛應(yīng)用在邊緣網(wǎng)絡(luò)中，它的設(shè)計目標(biāo)是支持特定情況下IP數(shù)據(jù)流量失敗轉(zhuǎn)移不會引起混亂，允許主機使用單路由器（衛(wèi)星基帶設(shè)備可以等效成一臺路由器），以及及時在實際第一跳路由器使用失敗的情形下仍能夠維護路由器間的連通性。

VRRP協(xié)議組織多臺路由器為一個虛擬的路由器，對外提供一個虛擬的IP，而在路由器組中，如果哪一臺路由器優(yōu)先級最高的話，那個這臺路由器就是Master路由器。Master的主要功能是實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)的一些功能，如局域網(wǎng)計算機的ARP解析請求，ICMP的ping測試，數(shù)據(jù)包經(jīng)過Master網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)發(fā)等。此外Master還每隔一個間隔在局域網(wǎng)組播一個關(guān)于自己的報文（組播地址224.0.0.1）[1]。報文中包含了VRRP版本號、VRID（只有具備相同VRID的主機才屬于一個VRRP路由器組）、優(yōu)先級、地址數(shù)量、認證類型、廣播周期、校驗和、虛擬IP地址等信息。其他路由器統(tǒng)稱為Backup路由器，平時靜默條件下監(jiān)聽Master發(fā)送的VRRP報文，一旦報文超時則選舉出新的Master接替原Master的所有工作。

VRRP協(xié)議在實際的運行過程中包括三個基本狀態(tài)，即Initialize初始狀態(tài)、Backup備份狀態(tài)、Master主狀態(tài)。后兩個狀態(tài)的遷移都是隨著VRR衛(wèi)的啟動而啟動。其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖5所示：

圖5 VRRP狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

Initialize：路由器系統(tǒng)啟動后進入此狀態(tài)，當(dāng)接入網(wǎng)絡(luò)的某個接口開啟VRRP以后，將轉(zhuǎn)入Backup（優(yōu)先級不為255時）或Master狀態(tài)（優(yōu)先級為255時），此狀態(tài)下路由器不會對VRRP報文做任何處理。

Backup：該狀態(tài)下的路由器主要是用以監(jiān)聽Master路由器的狀態(tài)，他的主要工作是接受VRRP廣播報文而知道Master的狀態(tài)，而對于虛擬的IP到MAC得請求不做響應(yīng)，也不會產(chǎn)生目的地為虛擬IP和MAC的數(shù)據(jù)包。

Master：處于Master的路由器除了定期發(fā)送VRRP廣播報文以通知備份組內(nèi)的其他Backup路由器本虛擬組的IP和MAC等信息外，還需要對局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)流量進行處理（如局域網(wǎng)有對于虛擬IP的ARP請求，Master路由器必須以虛擬組的虛擬MAC地址做出回應(yīng)；如存在虛擬MAC和IP的報文的轉(zhuǎn)發(fā)請求，必須給予轉(zhuǎn)發(fā)）。

各個過程的轉(zhuǎn)換過程觸發(fā)事件如下：

①當(dāng)一臺位于備份組中的路由器啟動VRRP協(xié)議的時候,如果這臺路由器的優(yōu)先級被定義為最大255；

②當(dāng)一臺為Master的路由器收到關(guān)閉消息的時候；

③當(dāng)一臺位于備份組中的路由器啟動VRRP協(xié)議的時候,如果這臺路由器的優(yōu)先級被定義為小于255；

④當(dāng)一臺為Backup的路由器收到關(guān)閉的消息時候；

⑤當(dāng)一臺為Backup的路由器在主路由器響應(yīng)時間內(nèi)沒有收到主路由器的報文；

⑥當(dāng)一臺Master的路由器收到一個比自己的優(yōu)先級高的報文的時候。

2.2 VRRPd 介紹和使用方法

鑒于VRRP的簡單和高效，許多優(yōu)秀的程序設(shè)計師開發(fā)出了基于VRRP的應(yīng)用程序，VRRPd就是其中一款針對Linux內(nèi)核開源代碼。該代碼在sourceforge上發(fā)布，最新版本為1.15。VRRPd遵照rfc2338的描述實現(xiàn)了VRRPv2，可以簡單的在路由器或其它設(shè)備中實現(xiàn)路由冗余備份。VRRPd的工作原理同樣是多臺路由器組成一個虛擬路由器，共同維護一個虛擬IP和虛擬ID。同一時刻只有標(biāo)識為Master的路由器負責(zé)發(fā)起通告和處理網(wǎng)口數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，其他路由器保持監(jiān)聽和靜默狀態(tài)。直到標(biāo)識為Backup的路由器超時未收到通告后才由備用路由器選舉出一個新的Master進行工作接替。

VRRPd的運行過程通過一條簡單的命令行實現(xiàn)，格式如下：

vrrpd-i ifname-v vrid[-f piddir][-s][-a auth][-p prio][-nh][-m prog][-bprog]ipaddr其中：

●-i ifname：接口設(shè)備的名稱，如 eth0、ppp0；

●-v vrid：虛擬路由器的ID，范圍為1-255；

●-p prio：主機的優(yōu)先級，范圍為1-254，缺省為100；

●-d delay：通告間隔時間，以秒為單位，備份設(shè)備在3個間隔時間內(nèi)沒有收到通告則開始競選新的Master；

●-s：搶占模式，缺省為開啟。開啟搶占模式后當(dāng)主設(shè)備收到優(yōu)先級更高的主機通告后將轉(zhuǎn)換為Backup狀態(tài)。

●-a auth：認證模式，有無認證、簡單文本認證和MD5認證（未實現(xiàn)）三種方式；

●-n：忽略虛擬mac地址；

●-f piddir：PID文件存放目錄；

●-m prog：切換到Master后運行的腳本；

●-b prog：切換到Backup后運行的腳本；

●ipaddr：虛擬路由器的ip地址

從接口上不難看出VRRPd可以通過-m和-b參數(shù)和外部程序交互。當(dāng)然外部程序也可以控制VR-RPd的工作狀態(tài)，具體方式就是通過SIGUSR1和SIGUSR2兩個信號量來實現(xiàn)。當(dāng)程序收到SIGUSR1信號時強制設(shè)置成Master，當(dāng)收到SIGUSR2信號時強制設(shè)置成Backup。

3 1∶1倒置開關(guān)設(shè)計

3.1 兩種工作模式

HaigeSat基帶設(shè)備擁有兩種工作模式[2]，一種是SCPC點對點模式，一種是TDMA組網(wǎng)模式。這兩種工作模式下接收通路工作狀態(tài)是完全一致的，但發(fā)射通路則有所區(qū)別。在SCPC點對點模式下，無論網(wǎng)口是否接收到數(shù)據(jù)，基帶設(shè)備都會發(fā)送連續(xù)載波（無數(shù)據(jù)時填充空包）。在TDMA組網(wǎng)模式下，只有設(shè)備需要轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)口數(shù)據(jù)或設(shè)備需要和主站進行交互信令時才會產(chǎn)生時隙突發(fā)載波；并且在主站時隙計劃管理下，任意兩個設(shè)備產(chǎn)生的突發(fā)載波從時域上看都是嚴(yán)格間隔開的。這兩種模式對倒置開關(guān)的設(shè)計需求將有所不同，SCPC模式下倒置開關(guān)必須保證只有一臺設(shè)備的發(fā)射信號送到BUC，否則會造成互相干擾；而TDMA模式下倒置開關(guān)允許兩個信號合成后送到BUC（因為兩個信號由時隙計劃保證不會發(fā)生碰撞），這樣更利于設(shè)備的快速切換和故障管理。

3.2 模塊設(shè)計

實際應(yīng)用中基帶設(shè)備發(fā)射和接收信號往往會參入了參考時鐘和直流電平，在切換過程中除了要考慮中頻信號的切換外，還需要考慮參考時鐘和直流電平的切換。綜合考慮基帶設(shè)備的兩種模式，給出設(shè)計框圖如圖6所示。

在發(fā)射輸入端，設(shè)置兩個電控單刀雙擲開關(guān)（SPDT），用于根據(jù)基帶設(shè)備的不同工作模式進行切換。在發(fā)射和接收通路上各設(shè)置一個電控雙刀雙擲開關(guān)（DPDT），用于兩個設(shè)備之間進行信號切換和備用設(shè)備信號能量吸收。另外根據(jù)中頻信號的特點，將中頻信號中的中頻部分、參考時鐘和直流電平通過濾波分別提取出來進行處理，處理完成后再進行重新組合。模塊通過MCU來和基帶設(shè)備通信，驅(qū)動SPDT和DPDT兩個開關(guān)的切換。另外模塊采用雙電源供電，保證任何一個基帶設(shè)備失效都不影響倒置開關(guān)工作。

圖6 倒置開關(guān)原理框圖

4 切換策略優(yōu)化

有了VRRP和倒置開關(guān)模塊后，我們可以進一步優(yōu)化切換策略。借助VRRP，主備設(shè)備之間可以建立起基于網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)下的自動倒置切換，但僅依靠VRRP還是具有相當(dāng)?shù)木窒扌?。具體表示為：1、設(shè)備出現(xiàn)非網(wǎng)絡(luò)連接故障時，網(wǎng)口往往正常收到通告報文，設(shè)備無法自動切換；2、失效等待時間至少為3個通告周期，缺省狀態(tài)下最少3秒后才能進行切換。3、Linux一般為任務(wù)搶占式非實時操作系統(tǒng)，當(dāng)設(shè)備處理資源耗盡時可能會導(dǎo)致通告發(fā)送延遲或丟失，從而造成誤切換。

為了提高切換的效果和效率，結(jié)合衛(wèi)星通信基帶設(shè)備的特點在VRRP中加入以下機制策略：

（1）結(jié)合衛(wèi)星基帶設(shè)備的特點加入了通告應(yīng)答機制，應(yīng)答報文中Backup設(shè)備的主要工作狀態(tài)信息（包括接收信噪比、誤碼率、TDMA同步情況等）告知Master設(shè)備，一旦Master發(fā)現(xiàn)自身的性能遠落后于Backup時發(fā)起主動切換。

（2）通過基帶設(shè)備對內(nèi)部各模塊的故障檢測機制進行定期檢查，一旦Master發(fā)生嚴(yán)重告警，則主動切換到Backup模式。

（3）減小通告發(fā)送間隔并提高發(fā)送線程的優(yōu)先級。為了保證通告發(fā)送的及時性可以提高發(fā)送線程的優(yōu)先級，并可以根據(jù)設(shè)備資源的使用情況進一步減少通告發(fā)送時間，這樣可以更快的發(fā)現(xiàn)故障點進行切換。

[1]馬海平.VRRP協(xié)議的應(yīng)用及優(yōu)化研究，2010.10.

[2]詳細參見海格通信公司的HaigeSat D/WT-2A型衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器用戶手冊.

[3]鄭艷濤.VRRP協(xié)議應(yīng)用和改進研究，2007.5.

Design of High Availability for Satellite Baseband Equipment Based on VRRP

HU Jun-xiang,ZHANG Wen-qian,WANG Qiang
（Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company,Guangzhou 510663）

Describes HaigeSat satellite baseband equipment and VRRP,and designs a 1：1 redundancy method for it,solves and optimizes switching problem in different modes.

Satellite Baseband Equipment;1：1 Redundancy;VRRP;IF Inverting Switch

1007-1423（2017）31-0075-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.31.018

胡俊祥（1984-），男，廣西象州人，碩士，中級工程師，研究方向為信息通信

張問謙（1987-），男，江西泰和人，碩士，中級工程師，研究方向為信息通信

王強（1991-），男，廣西桂林人，碩士，助理工程師，研究方向為射頻微波

2017-09-20

2017-10-25