徐雄斌 楊勝釗 高 燾

（1.武漢數(shù)字工程研究所 武漢 430205）（2.海軍駐武漢四六一廠軍事代表室 武漢 430000）

1 引言

隨著艦船信息化要求的不斷提高，艦船信息系統(tǒng)基本采用以太網(wǎng)方式組網(wǎng)。為了保證信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)都采用雙冗余以太網(wǎng)，雙冗余網(wǎng)絡(luò)采用交換機(jī)和終端計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡采用熱備份模式［1～3］，形成了通道到節(jié)點(diǎn)的多點(diǎn)冗余。同時，為了節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬和系統(tǒng)資源。通信方式主要采用組播方式，相對于點(diǎn)播和廣播，組播是一種點(diǎn)到多點(diǎn)的通信方式，便于實(shí)現(xiàn)多接收者的并行接收。雙冗余網(wǎng)絡(luò)切換包括網(wǎng)卡切換和交換機(jī)切換，網(wǎng)卡切換指交換機(jī)正常情況下，一塊網(wǎng)卡故障時，數(shù)據(jù)收發(fā)切換到另一塊網(wǎng)卡。交換機(jī)切換是當(dāng)一臺交換機(jī)關(guān)機(jī)或故障時，數(shù)據(jù)交換路徑切換到另一臺交換機(jī)。網(wǎng)卡切換基于硬件中斷信號實(shí)現(xiàn)，時間較短，一般在ms級別。而交換機(jī)切換主要是重新建立路由表、地址表、組播成員表、更新端口狀態(tài)等，根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，切換需要的時間不同，通常都在秒級甚至分鐘級，切換時間較長導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)丟失而影響業(yè)務(wù)或作戰(zhàn)。本文采用一種交換機(jī)優(yōu)化和終端計(jì)算機(jī)軟件相結(jié)合的方法，重點(diǎn)討論當(dāng)一臺交換機(jī)關(guān)機(jī)或故障時，實(shí)現(xiàn)交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)表的快速更新，使雙冗余網(wǎng)絡(luò)切換時間最快可達(dá)到ms級。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 艦載網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

艦載信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接示意圖如圖1所示。

示意圖中網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)含3個分系統(tǒng)，分系統(tǒng)1包含終端1到終端6，分系統(tǒng)2包含終端A到終端D，分系統(tǒng)3包含終端E到終端H。核心交換機(jī)A、B代表系統(tǒng)兩臺核心交換機(jī)，分系統(tǒng)接入交換機(jī)1、2代表各分系統(tǒng)的兩對接入交換機(jī)。系統(tǒng)通過交換機(jī)A和B作為核心交換機(jī)組網(wǎng)，交換機(jī)A和B互為備份，終端計(jì)算機(jī)配置雙冗余網(wǎng)卡分別連接到兩臺交換機(jī)。分系統(tǒng)1的6臺終端直接接入核心交換機(jī)，分系統(tǒng)2的4臺終端通過接入層交換機(jī)1級聯(lián)到核心交換機(jī)，分系統(tǒng)3的4臺終端通過接入層交換機(jī)2級聯(lián)到核心交換機(jī)。通信方面，各分系統(tǒng)內(nèi)部采用組播方式，分系統(tǒng)之間有的采用組播方式，有的采用點(diǎn)播方式。當(dāng)一臺交換機(jī)故障時，由于交換機(jī)切換重新建立路由表、地址表、組播成員表、更新端口狀態(tài)等需要一定時間。根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，切換需要的時間不同，通常都在秒級甚至分鐘級，切換時間較長導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)丟失而影響業(yè)務(wù)或作戰(zhàn)。因此必須找到一種方法，使交換機(jī)故障時，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)快速切換，減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險。

2.2 交換機(jī)優(yōu)化方案

下面闡述交換機(jī)優(yōu)化方面的原理分析和解決方案。

2.2.1 交換機(jī)路由概述

在典型的艦載信息網(wǎng)絡(luò)中，由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小，所有的路由通過核心交換機(jī)完成，包括單播路由和組播路由。

對于單播路由，一般采用VRRP（Virtual Router Redunancy Protocol）虛擬路由冗余協(xié)議，實(shí)現(xiàn)第一跳路由器即默認(rèn)網(wǎng)關(guān)的主備切換。主備路由器一開始都把自己設(shè)為VRRPmaster，然后向每一個組播發(fā)送VRRP報文，VRRP設(shè)備收到同組其他設(shè)備VRRP消息后，對比優(yōu)先級，如果優(yōu)先級高的話，自己不發(fā)VRRP包了，自己設(shè)置為slave，否則的話，自己為master。交換機(jī)優(yōu)先級Priority決定一臺路由器在備份組的狀態(tài)，優(yōu)先級高的路由器將被定義為活動路由器，其他優(yōu)先級的路由器作為備份路由器，當(dāng)活動路由器故障后，備份路由器變成活動路由器。

組播路由通常采用PIM（Protocol Independent Multicast，協(xié)議無關(guān)組播）協(xié)議，對于存在冗余的網(wǎng)絡(luò)中，為了避免出現(xiàn)相同的組播報文被重復(fù)發(fā)送到該網(wǎng)段，就需要通過選舉機(jī)制來選定唯一的組播數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)者。

BFD（Bidirectional Forwarding Detection）協(xié)議是一種輕負(fù)載、快速檢測兩臺交換機(jī)之間轉(zhuǎn)發(fā)路徑連通狀態(tài)的方法，是一個簡單的“Hello”協(xié)議。如果一臺交換機(jī)沒有檢測到另外一臺交換機(jī)的檢測報文，可以通過BFD快速檢測并盡快啟動轉(zhuǎn)發(fā)路徑，提升網(wǎng)絡(luò)性能。BFD提供的檢測機(jī)制與上層協(xié)議無關(guān)。

2.2.2 交換機(jī)組播概述

IGMP（Internet Group Management Protocol）是用于管理網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組播成員的一種通用協(xié)議，IP主機(jī)和路由器利用IGMP來創(chuàng)建多播組的組成員，通過查詢、響應(yīng)機(jī)制，組播路由器用來建立接收端的組播組成員管理。

查詢報文由組播路由器發(fā)出，組播路由器定時發(fā)出查詢報文，用來查詢該網(wǎng)段有哪些組播組的成員。當(dāng)組播路由器發(fā)出IGMP查詢報文后收到主機(jī)回應(yīng)的IGMP報告報文，或接收到主機(jī)主動發(fā)送的成員報告時，路由器將接收到成員報告的接口加入到組播路由表的出接口列表。通過偵聽路由器和主機(jī)的IGMP交互，把收到成員報告的端口和對應(yīng)的組播地址學(xué)習(xí)到組播成員端口表中，形成精確到端口的組播地址表。當(dāng)主機(jī)主動發(fā)出離開組IGMP報文時，或者組播路由器發(fā)出IGMP查詢報文，該端口在一定時間得不到回應(yīng)，則刪除對應(yīng)端口，從而維護(hù)動態(tài)的組播成員端口表。

2.2.3 切換影響因素

在組播網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的一臺交換機(jī)關(guān)機(jī)或故障時，所有拓?fù)渥兓婕暗慕M播路由器都需要有路由協(xié)議收斂、組播路由計(jì)算、建立路由表等時間。圖2為交換機(jī)切換路由建立流程圖。

由于網(wǎng)絡(luò)故障導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?，組播成員表應(yīng)該實(shí)現(xiàn)對此的響應(yīng)，而交換機(jī)需要通過每臺接收者終端的成員報告來完成轉(zhuǎn)發(fā)表的學(xué)習(xí)，如果終端不能主動發(fā)送成員報告，那么交換機(jī)只能依靠IGMP成員關(guān)系查詢進(jìn)行組播成員表的重新學(xué)習(xí)。組播成員端口表建立主要依靠監(jiān)聽終端和路由器的IGMP交互過程。圖3為交換機(jī)切換組播表建立流程圖。

由于交換機(jī)切換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化需較長時間重新建立路由、組播成員端口表，通常都在幾十秒甚至一兩分鐘，切換時間較長導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)丟失而影響業(yè)務(wù)或作戰(zhàn)。兩臺核心交換機(jī)切換時間主要消耗在組播路由建立時間和組播成員表建立時間上。

2.2.4 交換機(jī)優(yōu)化解決方案

1）交換機(jī)路由

采用兩種機(jī)制減少交換機(jī)路由建立時間。（1）采用 VRRP［4～6］、PIM 與 BFD［7～8］聯(lián)動實(shí)現(xiàn)主備之間的快速切換。在兩臺交換機(jī)上部署B(yǎng)FD快速檢測機(jī)制，綁定VRRP、PIM協(xié)議，實(shí)現(xiàn)鏈路故障時，核心交換機(jī)備份路由快速切換。（2）通過修改心跳周期參數(shù)減少主從設(shè)備相互監(jiān)控時間，減少交換機(jī)路故障時路由切換時間。

2）交換機(jī)組播成員端口表

由于組播主要是依靠監(jiān)聽終端和路由器的IGMP交互過程以生成對應(yīng)組播的端口轉(zhuǎn)發(fā)表。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)故障導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓M播成員應(yīng)該實(shí)現(xiàn)響應(yīng)，而交換機(jī)需要通過接收終端成員的報告來完成轉(zhuǎn)發(fā)表的學(xué)習(xí)?？梢酝ㄟ^修改發(fā)送IGMP組播查詢報文的時間間隔和IGMP組播查詢的最大響應(yīng)時間來減少組播成員建立時間。同時實(shí)現(xiàn)STP等二層拓?fù)渥兓cIGMP的關(guān)聯(lián)查詢機(jī)制，由拓?fù)渥兓|發(fā)新的查詢，快速更新轉(zhuǎn)發(fā)表。

2.3 終端軟件方案

2.3.1 概述

艦載信息系統(tǒng)計(jì)算機(jī)采用兩塊網(wǎng)卡，兩塊網(wǎng)卡采用熱備份，平時一塊網(wǎng)卡作為對外傳輸通道，當(dāng)該通道出現(xiàn)故障時，可迅速切換到另一塊網(wǎng)卡。從上面分析情況可以看出，如果計(jì)算機(jī)不主動發(fā)送加組信息，就必須等待路由器周期性發(fā)送普遍組查詢消息進(jìn)行成員關(guān)系查詢，計(jì)算機(jī)發(fā)送報告消息來應(yīng)答查詢來建立組播表，則至少要等待交換機(jī)一個查詢周期。因此可采用計(jì)算機(jī)在檢測到一臺交換機(jī)故障后軟件方面主動加組，減少路由器周期性查詢時間。計(jì)算機(jī)軟件層次如圖4。

軟件包含操作系統(tǒng)、驅(qū)動程序、中間件、應(yīng)用軟件等四層。

2.3.2 基本原理簡介

要使兩塊網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)熱備份，兩塊網(wǎng)卡必須有相同的物理地址和IP地址，計(jì)算機(jī)的IP地址保存在計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中，每塊網(wǎng)卡有一個唯一的物理地址，它保存在網(wǎng)卡的PROM中。如果IP地址變化，計(jì)算機(jī)將無法收發(fā)數(shù)據(jù)。如果IP地址無變化，物理地址發(fā)生變化，雖然計(jì)算機(jī)可以正常收發(fā)數(shù)據(jù)，但由于物理地址發(fā)生變化，將引起協(xié)議棧中ARP綁定的變化，需重新對應(yīng)ARP綁定表中IP地址與網(wǎng)卡物理地址的關(guān)系，會延長兩塊網(wǎng)卡之間的切換時間。網(wǎng)卡切換后，如果軟件不主動加組，交換機(jī)需消耗一個組播成員表查詢周期時間，來重新建立新的組播表。

因此，要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)卡切換并且切換時間盡可能短，必須解決下面幾個問題：1）計(jì)算機(jī)盡快知道何時切換；2）兩塊網(wǎng)卡物理地址和IP地址問題；3）主動加組。

2.3.3 解決方案

為了減少中間環(huán)節(jié)，主要從驅(qū)動程序環(huán)節(jié)考慮解決網(wǎng)卡切換和主動加組的應(yīng)用［9～12］。通過驅(qū)動程序中增加雙網(wǎng)卡切換程序，來解決上述幾個問題。雙網(wǎng)卡切換程序主要包括網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)監(jiān)控任務(wù)、IP等卸載和重定義、主動加組等功能。

網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)監(jiān)控任務(wù)主要完成網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢測，它定時判斷當(dāng)前網(wǎng)卡的鏈路狀態(tài)，如果鏈路處于斷開狀態(tài)，釋放網(wǎng)卡切換信號量，通知網(wǎng)卡切換任務(wù)切換網(wǎng)卡，由于鏈路檢查基本由硬件完成，驅(qū)動程序只是讀取寄存器狀態(tài)，因此消耗時間很短，可忽略不計(jì)。檢測到網(wǎng)卡切換后，驅(qū)動程序卸載原先網(wǎng)卡的IP和物理地址，然后使用同一個IP和物理地址來配置第二塊網(wǎng)卡，把IP和物理地址等相關(guān)信息寫入第二塊對應(yīng)的地址，減少網(wǎng)卡切換時間。完成網(wǎng)卡切換后，接下來驅(qū)動程序根據(jù)IP地址等信息調(diào)用函數(shù)主動加組，可以節(jié)省交換機(jī)組播成員表查詢周期的時間。

通過優(yōu)化計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡驅(qū)動程序，讓計(jì)算機(jī)驅(qū)動程序一旦檢測到一臺交換機(jī)故障或關(guān)機(jī)后，計(jì)算機(jī)主動加組，通過該方式可以加快網(wǎng)絡(luò)的切換。

3 測試與驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室搭建了測試環(huán)境，核心交換機(jī)采用華三交換機(jī)H3CS7506E，計(jì)算機(jī)采用核心芯片為intel82571的網(wǎng)卡，對交換機(jī)進(jìn)行VRRP、組播、優(yōu)先級、生成樹協(xié)議等相關(guān)基礎(chǔ)配置后，在測試環(huán)境下進(jìn)行了幾種情況下的對比測試，模擬交換機(jī)故障，用wireshark軟件抓包，計(jì)算切換時間。1）交換機(jī)初始設(shè)置配合優(yōu)化前的驅(qū)動程序，切換時間大于1min；2）設(shè)置交換機(jī)心跳參數(shù)、組播成員表相關(guān)參數(shù)，配合優(yōu)化前的的驅(qū)動程序，切換時間大于10s；3）設(shè)置交換機(jī)心跳參數(shù)、組播成員表相關(guān)參數(shù)，配合優(yōu)化后的驅(qū)動程序，切換時間小于5s；4）設(shè)置交換機(jī)心跳參數(shù)、組播成員表、BFD相關(guān)參數(shù)，配合優(yōu)化前的驅(qū)動程序，切換時間約2s。5）設(shè)置交換機(jī)心跳參數(shù)、組播成員表、BFD相關(guān)參數(shù)，配合優(yōu)化后的驅(qū)動程序，切換時間小于1s。

測試表明，通過交換機(jī)優(yōu)化和計(jì)算機(jī)軟件相結(jié)合的方法，可實(shí)現(xiàn)雙冗余交換網(wǎng)絡(luò)的快速切換。

4 結(jié)語

本文提出了一種交換機(jī)優(yōu)化和計(jì)算機(jī)軟件相結(jié)合的方法，解決了雙冗余網(wǎng)絡(luò)切換時間過長的問題。經(jīng)過模擬交換機(jī)故障進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明效果良好，使雙冗余網(wǎng)絡(luò)切換時間最快可達(dá)到ms級，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕哂休^大的軍事和民用價值。