蔡文婷

【摘? 要】 民航TDM網(wǎng)是民航通信網(wǎng)的子網(wǎng)，在民航安全生產(chǎn)業(yè)務(wù)傳輸中扮演著至關(guān)重要的角色。然而，由于復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜途薮蟮耐ㄐ艛?shù)據(jù)流量，民航TDM網(wǎng)面臨著各種安全挑戰(zhàn)和故障。其中，鏈路故障的快速檢測(cè)和恢復(fù)是確保民航TDM網(wǎng)高可用性和可靠性的關(guān)鍵問(wèn)題。基于此，文章深入探討B(tài)FD和FRR的技術(shù)原理，分析其在民航TDM網(wǎng)中的應(yīng)用，研究BFD和FRR技術(shù)對(duì)民航TDM網(wǎng)可用性和穩(wěn)定性的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和分析，評(píng)估了BFD和FRR技術(shù)應(yīng)用前后民航TDM網(wǎng)性能參數(shù)的變化，以期為進(jìn)一步提升民航通信系統(tǒng)的可用性和安全性提供有益參考。

【關(guān)鍵詞】 民航TDM網(wǎng)；BFD；FRR；eNSP

隨著民航業(yè)的快速發(fā)展，民航TDM網(wǎng)作為關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施之一，扮演著至關(guān)重要的角色。民航TDM網(wǎng)是民航通信網(wǎng)的子網(wǎng)，主要用于負(fù)責(zé)甚高頻業(yè)務(wù)、雷達(dá)業(yè)務(wù)、轉(zhuǎn)報(bào)業(yè)務(wù)、ADS-B業(yè)務(wù)等民航安全生產(chǎn)業(yè)務(wù)的傳輸。在民航TDM網(wǎng)中，確保高效、可靠的通信是保障航空安全的關(guān)鍵要素之一。

然而，由于復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜途薮蟮耐ㄐ艛?shù)據(jù)流量，民航TDM網(wǎng)面臨各種故障和安全挑戰(zhàn)。為解決這些挑戰(zhàn)，應(yīng)用了許多技術(shù)。其中，BFD（Bidirectional Forwarding Detection）和FRR（Fast Rerou-te）技術(shù)憑借其快速而可靠的特性，得到了廣泛的應(yīng)用。BFD技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)鏈路故障，并立即觸發(fā)相應(yīng)的故障處理程序。而FRR技術(shù)則能夠在鏈路故障發(fā)生時(shí)，快速重新選擇備用路徑，確保通信的連續(xù)性和可靠性。綜合應(yīng)用BFD和FRR技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)民航TDM網(wǎng)中鏈路故障的快速檢測(cè)和恢復(fù)，提高民航通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

一、BFD技術(shù)原理

BFD是一種基于控制平面的協(xié)議，用于快速檢測(cè)鏈路故障，它可以在毫秒級(jí)別內(nèi)檢測(cè)到鏈路故障。BFD的基本原理和工作機(jī)制如下：

1. 會(huì)話建立。BFD會(huì)話是在源站點(diǎn)和目標(biāo)站點(diǎn)之間建立的。在會(huì)話建立過(guò)程中，源站點(diǎn)和目標(biāo)站點(diǎn)之間交換控制報(bào)文，以協(xié)商會(huì)話的參數(shù)和設(shè)置。

2. 心跳報(bào)文交換。一旦會(huì)話建立完成，源站點(diǎn)和目標(biāo)站點(diǎn)開(kāi)始周期性地交換BFD控制報(bào)文，也稱(chēng)為心跳報(bào)文。這些心跳報(bào)文用于維持會(huì)話的活躍狀態(tài)，并在鏈路故障發(fā)生時(shí)進(jìn)行快速檢測(cè)。

3. 檢測(cè)時(shí)間。BFD會(huì)話通過(guò)配置的檢測(cè)時(shí)間來(lái)確定心跳報(bào)文之間的時(shí)間間隔。較短的檢測(cè)時(shí)間可以提供更快的故障檢測(cè)，但會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)。較長(zhǎng)的檢測(cè)時(shí)間則可能導(dǎo)致較慢的故障檢測(cè)。

4. 檢測(cè)機(jī)制。當(dāng)源站點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到目標(biāo)站點(diǎn)的心跳報(bào)文時(shí)，它會(huì)認(rèn)為鏈路故障發(fā)生了。源站點(diǎn)將觸發(fā)故障檢測(cè)機(jī)制，并發(fā)送通知以通知網(wǎng)絡(luò)維護(hù)人員。目標(biāo)站點(diǎn)也會(huì)檢測(cè)到鏈路故障，并發(fā)送相應(yīng)的通知。

正常情況下，源站點(diǎn)和目標(biāo)站點(diǎn)將周期性地交換心跳報(bào)文，以確認(rèn)鏈路的連通性。如果鏈路故障發(fā)生，源站點(diǎn)將在一定時(shí)間內(nèi)未收到目標(biāo)站點(diǎn)的心跳報(bào)文時(shí)觸發(fā)故障檢測(cè)。它可以在民航TDM網(wǎng)等需要展示高可用性和快速故障響應(yīng)的場(chǎng)景中發(fā)揮重要作用。

二、FRR技術(shù)原理

FRR是一種網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)技術(shù)，用于快速恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)鏈路故障。它可以在毫秒級(jí)別內(nèi)檢測(cè)到鏈路故障，并迅速切換流量到備用路徑，以保證通信的連續(xù)性和可靠性。FRR的基本原理和工作機(jī)制如下：

1. 備用路徑選擇。在FRR技術(shù)中，網(wǎng)絡(luò)維護(hù)人員事先配置了備用路徑。備用路徑是另一條與故障鏈路無(wú)關(guān)的路徑，可以用于快速恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)流量。備用路徑可以通過(guò)靜態(tài)配置或動(dòng)態(tài)路由協(xié)議（如OSPF或BGP）來(lái)確定。

2. 心跳檢測(cè)。在正常情況下，主路徑上的鏈路保持正常通信。同時(shí)，F(xiàn)RR技術(shù)會(huì)周期性地發(fā)送心跳包或監(jiān)測(cè)鏈路狀態(tài)。如果鏈路故障發(fā)生，F(xiàn)RR技術(shù)會(huì)立即檢測(cè)到鏈路的不可達(dá)或異常狀態(tài)。

3. 快速切換。一旦FRR技術(shù)檢測(cè)到鏈路故障，它會(huì)迅速將流量從主路徑切換到備用路徑。這一切換是通過(guò)更新路由表或轉(zhuǎn)發(fā)表來(lái)實(shí)現(xiàn)的。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備會(huì)根據(jù)預(yù)先配置的備用路徑信息，重新選擇最佳路徑，并將流量從故障鏈路切換到備用路徑。

4. 通知和恢復(fù)。FRR技術(shù)會(huì)向網(wǎng)絡(luò)維護(hù)人員發(fā)送通知，以確保故障事件被及時(shí)知曉。同時(shí)，一旦故障鏈路恢復(fù)，F(xiàn)RR技術(shù)會(huì)自動(dòng)將流量切換回主路徑，以保持正常的網(wǎng)絡(luò)通信。這樣，網(wǎng)絡(luò)在故障恢復(fù)后可以無(wú)縫地繼續(xù)運(yùn)行。

有效地應(yīng)用FRR技術(shù)，可提高網(wǎng)絡(luò)可用性、穩(wěn)定性和安全性，確保網(wǎng)絡(luò)在鏈路故障發(fā)生時(shí)能快速恢復(fù)。

三、BFD和FRR在民航TDM網(wǎng)中的應(yīng)用

BFD和FRR技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中通常與動(dòng)態(tài)路由協(xié)議（如OSPF、ISIS）、MPLS（多協(xié)議標(biāo)簽交換）協(xié)議等進(jìn)行聯(lián)動(dòng)配置。通過(guò)與這些協(xié)議的聯(lián)動(dòng)配置，BFD和FRR技術(shù)可以提供更全面、可靠的故障檢測(cè)和恢復(fù)機(jī)制。在民航TDM網(wǎng)中，BFD和FRR的具體應(yīng)用場(chǎng)景描述如下：

1. 網(wǎng)絡(luò)故障快速檢測(cè)。通過(guò)在源站點(diǎn)和目標(biāo)站點(diǎn)之間定期發(fā)送BFD控制報(bào)文，BFD技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)鏈路的連通性。一旦鏈路中斷，BFD會(huì)立即檢測(cè)到，并發(fā)送通知或觸發(fā)相應(yīng)的故障處理程序。

2. 快速鏈路切換和重路由。將BFD與FRR技術(shù)結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)快速鏈路切換和重路由，確保通信的連續(xù)性和可靠性。當(dāng)BFD檢測(cè)到鏈路故障時(shí)，F(xiàn)RR技術(shù)會(huì)自動(dòng)將數(shù)據(jù)流量切換到備用鏈路，避免中斷并減少通信延遲。

3. 與動(dòng)態(tài)路由協(xié)議ISIS聯(lián)動(dòng)。當(dāng)鏈路發(fā)生故障時(shí)，BFD和FRR可以立即通知?jiǎng)討B(tài)路由協(xié)議ISIS，使其能夠及時(shí)更新路由信息并選擇備用路徑，確保數(shù)據(jù)包的順利轉(zhuǎn)發(fā)。這種聯(lián)動(dòng)機(jī)制可以大幅減少數(shù)據(jù)包丟失和通信中斷的時(shí)間，提高民航TDM網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性。

需要注意的是，在設(shè)計(jì)和配置BFD和FRR技術(shù)時(shí)，需要考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹㈡溌啡萘亢途W(wǎng)絡(luò)負(fù)載等因素，以確?；謴?fù)過(guò)程的效率和性能。民航TDM網(wǎng)中BFD和FRR與ISIS動(dòng)態(tài)路由協(xié)議配置情況如下：

（1）在全局模式下使能BFD功能

［huawei］ bfd

（2）在ISIS視圖下配置與BFD和FRR聯(lián)動(dòng)

［huawei］ isis 1

［huawei-isis-1］bfd all-interfaces enable

［huawei-isis-1］bfd all-interfaces min-tx-interval 20 min-rx-interval 20 frr-binding

［huawei-isis-1］frr

［huawei-isis-1-frr］loop-free-alternate level-1

［huawei-isis-1-frr］loop-free-alternate level-2

BFD最小接收和發(fā)送時(shí)間間隔根據(jù)實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)情況設(shè)置。本研究為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比明顯，設(shè)置為20ms。

通過(guò)以上應(yīng)用情景，可以看出BFD和FRR技術(shù)在民航TDM網(wǎng)中的重要性和作用。它能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障快速檢測(cè)、快速鏈路切換和重路由，還實(shí)現(xiàn)了與動(dòng)態(tài)路由協(xié)議的聯(lián)動(dòng)，提高了通信系統(tǒng)的可用性、穩(wěn)定性和安全性。

四、網(wǎng)絡(luò)模擬實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證BFD和FRR技術(shù)在民航TDM網(wǎng)中的應(yīng)用效果，研究利用華為的eNSP（Enterprise Network Simulation Platform）網(wǎng)絡(luò)模擬器進(jìn)行民航TDM網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模擬實(shí)驗(yàn)。模擬實(shí)驗(yàn)中，選擇了民航TDM網(wǎng)的部分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。另外，由于模擬器支持的設(shè)備類(lèi)型有限，因此，實(shí)驗(yàn)中使用的部分站點(diǎn)設(shè)備采用其他型號(hào)設(shè)備進(jìn)行替代。站點(diǎn)設(shè)備類(lèi)型的替換對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有影響。模擬實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D中，JR1、JR2、SW1、SW2、HJ1、HJ2這六臺(tái)設(shè)備構(gòu)成本地網(wǎng)絡(luò)，完成用戶業(yè)務(wù)的接入和匯聚。HX3、HX4為遠(yuǎn)端核心網(wǎng)絡(luò)，完成業(yè)務(wù)在核心層的匯聚轉(zhuǎn)發(fā)。本地網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)端核心網(wǎng)絡(luò)之間通過(guò)民航傳輸網(wǎng)設(shè)備和租用的運(yùn)營(yíng)商鏈路進(jìn)行互聯(lián)。使用網(wǎng)絡(luò)云（cloud）模擬民航傳輸網(wǎng)設(shè)備和租用的運(yùn)營(yíng)商鏈路。

（一）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)?zāi)M了兩種情形的鏈路故障。一種是與設(shè)備直接相連的物理鏈路故障，設(shè)備相應(yīng)端口的物理狀態(tài)down；另一種是非直連鏈路故障，實(shí)際運(yùn)行中，多為運(yùn)營(yíng)商鏈路故障。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)分別模擬以上兩種情形的鏈路故障，觀察和記錄實(shí)際的鏈路故障檢測(cè)和恢復(fù)過(guò)程。為驗(yàn)證BFD和FRR技術(shù)應(yīng)用后的效果，通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)置，對(duì)應(yīng)用BFD和FRR技術(shù)前后兩種鏈路故障后業(yè)務(wù)傳輸?shù)膩G包率進(jìn)行對(duì)比。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1. 直連鏈路故障

如圖1所示，將HX3路由器D1端口down掉，模擬業(yè)務(wù)傳輸期間與設(shè)備直連鏈路故障。觀察HJ1至HX3 D2端口的ping命令的丟包率（實(shí)驗(yàn)ping 次數(shù)設(shè)置為15，下同）。

2. 運(yùn)營(yíng)商鏈路故障

中斷cloud1 和cloud4之間的鏈路，模擬業(yè)務(wù)傳輸期間非直連鏈路故障。觀察HJ1至HX3 D2端口的ping命令的丟包率。

3. 配置BFD和FRR與ISIS聯(lián)動(dòng)

4. BFD和FRR配置后模擬直連鏈路故障

5. BFD和FRR配置后模擬非直連鏈路故障

（二）實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

1. 步驟1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)在各相關(guān)鏈路上抓包，對(duì)各協(xié)議數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析，明確了鏈路故障后檢測(cè)恢復(fù)的過(guò)程。直連鏈路故障后，HX3設(shè)備立即感知鏈路故障，并通過(guò)LSP報(bào)文依次通知各節(jié)點(diǎn)設(shè)備鏈路狀態(tài)的變更情況。HJ1收到LSP報(bào)文后，立即更新鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，重新計(jì)算路由并切換業(yè)務(wù)至新的路徑。HJ1檢測(cè)到鏈路故障并恢復(fù)的時(shí)間是LSP報(bào)文在鏈路上傳送的時(shí)間以及沿途各路由器數(shù)據(jù)處理的時(shí)間總和。實(shí)驗(yàn)測(cè)算到，直連鏈路中斷恢復(fù)過(guò)程中，ping命令的丟包率為6.66%。

2. 步驟2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

非直連鏈路故障后，HX3設(shè)備等待ISIS鄰居HJ1的holdtime為0時(shí)，檢測(cè)到鏈路故障，通過(guò)依次發(fā)送LSP報(bào)文，通知各節(jié)點(diǎn)鏈路狀態(tài)的改變。HJ1設(shè)備收到LSP報(bào)文檢測(cè)到鏈路故障，更新鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，重新計(jì)算路由，將業(yè)務(wù)切換至新的路徑。非直連鏈路故障，設(shè)備無(wú)法第一時(shí)間檢測(cè)到故障，而是依賴(lài)動(dòng)態(tài)路由協(xié)議isis的鄰居狀態(tài)判斷故障。非直連鏈路故障的檢測(cè)恢復(fù)時(shí)間是holdtime時(shí)間，LSP報(bào)文傳遞時(shí)間，以及沿途各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理時(shí)間的總和。實(shí)驗(yàn)測(cè)算到，非直連鏈路中斷恢復(fù)過(guò)程中，ping命令的丟包率為26.66%。

3. 步驟4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

配置BFD和FRR技術(shù)后，直連鏈路故障，BFD會(huì)話狀態(tài)立即變?yōu)閐own，HJ1檢測(cè)到鏈路故障，并將業(yè)務(wù)通過(guò)FRR快速切換到備用路由路徑，鏈路故障檢測(cè)和恢復(fù)時(shí)間在毫秒級(jí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)算到，其間ping命令的丟包率為0。

4. 步驟5實(shí)驗(yàn)結(jié)果

配置BFD和FRR技術(shù)后，非直連鏈路故障，BFD會(huì)話狀態(tài)很快變?yōu)閐own，HJ1檢測(cè)到鏈路故障，并將業(yè)務(wù)通過(guò)FRR快速切換到備用路由路徑，鏈路故障檢測(cè)和恢復(fù)時(shí)間在毫秒級(jí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)算到，其間ping命令的丟包率為0。

可見(jiàn)，不論是直連還是非直連鏈路故障，在配置BFD和FRR技術(shù)后，鏈路故障檢測(cè)和恢復(fù)的時(shí)間更快，網(wǎng)絡(luò)傳輸業(yè)務(wù)丟包率大幅降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了應(yīng)用BFD和FRR技術(shù)在民航TDM網(wǎng)中的有效性和優(yōu)勢(shì)。

五、結(jié)語(yǔ)

BFD技術(shù)在民航TDM網(wǎng)中能夠?qū)崿F(xiàn)快速的鏈路故障檢測(cè)。它可以在毫秒級(jí)別內(nèi)檢測(cè)到鏈路故障，并快速觸發(fā)故障處理程序。應(yīng)用BFD技術(shù)能夠顯著提高網(wǎng)絡(luò)的可用性和穩(wěn)定性。FRR技術(shù)在民航TDM網(wǎng)中能夠?qū)崿F(xiàn)快速的鏈路切換和故障恢復(fù)。通過(guò)與BFD技術(shù)的結(jié)合，F(xiàn)RR技術(shù)能夠在鏈路故障發(fā)生時(shí)迅速切換流量到備用路徑，避免通信中斷和延遲。它可以保證民航業(yè)務(wù)的連續(xù)性和可靠性。綜上所述，在民航TDM網(wǎng)中應(yīng)用BFD和FRR技術(shù)，對(duì)快速的鏈路故障檢測(cè)和恢復(fù)具有重要意義。

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