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)務傳輸中扮演著至關重要的角色。然而，由于復雜的網(wǎng)絡拓撲和巨大的通信數(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和恢復是確保民航TDM網(wǎng)高可用性和可靠性的關鍵問題。基于此，文章深入探討B(tài)FD和FRR的技術原理，分析其在民航TDM網(wǎng)中的應用，研究BFD和FRR技術對民航TDM網(wǎng)可用性和穩(wěn)定性的影響，通過實驗和分析，評估了BFD和FRR技術應用前后民航TDM網(wǎng)性能參數(shù)的變化，以期為進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)作為關鍵的基礎設施之一，扮演著至關重要的角色。民航TDM網(wǎng)是民航通信網(wǎng)的子網(wǎng)，主要用于負責甚高頻業(yè)務、雷達業(yè)務、轉(zhuǎn)報業(yè)務、ADS-B業(yè)務等民航安全生產(chǎn)業(yè)務的傳輸。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鍵要素之一。

然而，由于復雜的網(wǎng)絡拓撲和巨大的通信數(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)，應用了許多技術。其中，BFD（Bidirectional Forwarding Detection）和FRR（Fast Rerou-te）技術憑借其快速而可靠的特性，得到了廣泛的應用。BFD技術能夠?qū)崟r檢測鏈路故障，并立即觸發(fā)相應的故障處理程序。而FRR技術則能夠在鏈路故障發(fā)生時，快速重新選擇備用路徑，確保通信的連續(xù)性和可靠性。綜合應用BFD和FRR技術，可以實現(xiàn)對民航TDM網(wǎng)中鏈路故障的快速檢測和恢復，提高民航通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

一、BFD技術原理

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

1. 會話建立。BFD會話是在源站點和目標站點之間建立的。在會話建立過程中，源站點和目標站點之間交換控制報文，以協(xié)商會話的參數(shù)和設置。

2. 心跳報文交換。一旦會話建立完成，源站點和目標站點開始周期性地交換BFD控制報文，也稱為心跳報文。這些心跳報文用于維持會話的活躍狀態(tài)，并在鏈路故障發(fā)生時進行快速檢測。

3. 檢測時間。BFD會話通過配置的檢測時間來確定心跳報文之間的時間間隔。較短的檢測時間可以提供更快的故障檢測，但會增加網(wǎng)絡開銷。較長的檢測時間則可能導致較慢的故障檢測。

4. 檢測機制。當源站點在一段時間內(nèi)沒有收到目標站點的心跳報文時，它會認為鏈路故障發(fā)生了。源站點將觸發(fā)故障檢測機制，并發(fā)送通知以通知網(wǎng)絡維護人員。目標站點也會檢測到鏈路故障，并發(fā)送相應的通知。

正常情況下，源站點和目標站點將周期性地交換心跳報文，以確認鏈路的連通性。如果鏈路故障發(fā)生，源站點將在一定時間內(nèi)未收到目標站點的心跳報文時觸發(fā)故障檢測。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的場景中發(fā)揮重要作用。

二、FRR技術原理

FRR是一種網(wǎng)絡故障恢復技術，用于快速恢復網(wǎng)絡鏈路故障。它可以在毫秒級別內(nèi)檢測到鏈路故障，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制如下：

1. 備用路徑選擇。在FRR技術中，網(wǎng)絡維護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關的路徑，可以用于快速恢復網(wǎng)絡流量。備用路徑可以通過靜態(tài)配置或動態(tài)路由協(xié)議（如OSPF或BGP）來確定。

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

3. 快速切換。一旦FRR技術檢測到鏈路故障，它會迅速將流量從主路徑切換到備用路徑。這一切換是通過更新路由表或轉(zhuǎn)發(fā)表來實現(xiàn)的。網(wǎng)絡設備會根據(jù)預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。FRR技術會向網(wǎng)絡維護人員發(fā)送通知，以確保故障事件被及時知曉。同時，一旦故障鏈路恢復，F(xiàn)RR技術會自動將流量切換回主路徑，以保持正常的網(wǎng)絡通信。這樣，網(wǎng)絡在故障恢復后可以無縫地繼續(xù)運行。

有效地應用FRR技術，可提高網(wǎng)絡可用性、穩(wěn)定性和安全性，確保網(wǎng)絡在鏈路故障發(fā)生時能快速恢復。

三、BFD和FRR在民航TDM網(wǎng)中的應用

BFD和FRR技術在實際應用中通常與動態(tài)路由協(xié)議（如OSPF、ISIS）、MPLS（多協(xié)議標簽交換）協(xié)議等進行聯(lián)動配置。通過與這些協(xié)議的聯(lián)動配置，BFD和FRR技術可以提供更全面、可靠的故障檢測和恢復機制。在民航TDM網(wǎng)中，BFD和FRR的具體應用場景描述如下：

1. 網(wǎng)絡故障快速檢測。通過在源站點和目標站點之間定期發(fā)送BFD控制報文，BFD技術能夠?qū)崟r監(jiān)測鏈路的連通性。一旦鏈路中斷，BFD會立即檢測到，并發(fā)送通知或觸發(fā)相應的故障處理程序。

2. 快速鏈路切換和重路由。將BFD與FRR技術結合可以實現(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BFD檢測到鏈路故障時，F(xiàn)RR技術會自動將數(shù)據(jù)流量切換到備用鏈路，避免中斷并減少通信延遲。

3. 與動態(tài)路由協(xié)議ISIS聯(lián)動。當鏈路發(fā)生故障時，BFD和FRR可以立即通知動態(tài)路由協(xié)議ISIS，使其能夠及時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)動機制可以大幅減少數(shù)據(jù)包丟失和通信中斷的時間，提高民航TDM網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性。

需要注意的是，在設計和配置BFD和FRR技術時，需要考慮網(wǎng)絡拓撲、鏈路容量和網(wǎng)絡負載等因素，以確保恢復過程的效率和性能。民航TDM網(wǎng)中BFD和FRR與ISIS動態(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

［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)送時間間隔根據(jù)實際的網(wǎng)絡情況設置。本研究為使實驗結果對比明顯，設置為20ms。

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

四、網(wǎng)絡模擬實驗

為驗證BFD和FRR技術在民航TDM網(wǎng)中的應用效果，研究利用華為的eNSP（Enterprise Network Simulation Platform）網(wǎng)絡模擬器進行民航TDM網(wǎng)網(wǎng)絡模擬實驗。模擬實驗中，選擇了民航TDM網(wǎng)的部分拓撲結構進行實驗。另外，由于模擬器支持的設備類型有限，因此，實驗中使用的部分站點設備采用其他型號設備進行替代。站點設備類型的替換對實驗結果沒有影響。模擬實驗的網(wǎng)絡拓撲如圖1所示。

實驗拓撲圖中，JR1、JR2、SW1、SW2、HJ1、HJ2這六臺設備構成本地網(wǎng)絡，完成用戶業(yè)務的接入和匯聚。HX3、HX4為遠端核心網(wǎng)絡，完成業(yè)務在核心層的匯聚轉(zhuǎn)發(fā)。本地網(wǎng)絡與遠端核心網(wǎng)絡之間通過民航傳輸網(wǎng)設備和租用的運營商鏈路進行互聯(lián)。使用網(wǎng)絡云（cloud）模擬民航傳輸網(wǎng)設備和租用的運營商鏈路。

（一）實驗設計

實驗模擬了兩種情形的鏈路故障。一種是與設備直接相連的物理鏈路故障，設備相應端口的物理狀態(tài)down；另一種是非直連鏈路故障，實際運行中，多為運營商鏈路故障。本實驗通過分別模擬以上兩種情形的鏈路故障，觀察和記錄實際的鏈路故障檢測和恢復過程。為驗證BFD和FRR技術應用后的效果，通過實驗設置，對應用BFD和FRR技術前后兩種鏈路故障后業(yè)務傳輸?shù)膩G包率進行對比。具體實驗步驟如下：

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)務傳輸期間與設備直連鏈路故障。觀察HJ1至HX3 D2端口的ping命令的丟包率（實驗ping 次數(shù)設置為15，下同）。

2. 運營商鏈路故障

中斷cloud1 和cloud4之間的鏈路，模擬業(yè)務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

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）實驗結果和討論

1. 步驟1實驗結果

通過在各相關鏈路上抓包，對各協(xié)議數(shù)據(jù)包進行分析，明確了鏈路故障后檢測恢復的過程。直連鏈路故障后，HX3設備立即感知鏈路故障，并通過LSP報文依次通知各節(jié)點設備鏈路狀態(tài)的變更情況。HJ1收到LSP報文后，立即更新鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，重新計算路由并切換業(yè)務至新的路徑。HJ1檢測到鏈路故障并恢復的時間是LSP報文在鏈路上傳送的時間以及沿途各路由器數(shù)據(jù)處理的時間總和。實驗測算到，直連鏈路中斷恢復過程中，ping命令的丟包率為6.66%。

2. 步驟2實驗結果

非直連鏈路故障后，HX3設備等待ISIS鄰居HJ1的holdtime為0時，檢測到鏈路故障，通過依次發(fā)送LSP報文，通知各節(jié)點鏈路狀態(tài)的改變。HJ1設備收到LSP報文檢測到鏈路故障，更新鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，重新計算路由，將業(yè)務切換至新的路徑。非直連鏈路故障，設備無法第一時間檢測到故障，而是依賴動態(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恢復時間是holdtime時間，LSP報文傳遞時間，以及沿途各節(jié)點數(shù)據(jù)處理時間的總和。實驗測算到，非直連鏈路中斷恢復過程中，ping命令的丟包率為26.66%。

3. 步驟4實驗結果

配置BFD和FRR技術后，直連鏈路故障，BFD會話狀態(tài)立即變?yōu)閐own，HJ1檢測到鏈路故障，并將業(yè)務通過FRR快速切換到備用路由路徑，鏈路故障檢測和恢復時間在毫秒級，實驗測算到，其間ping命令的丟包率為0。

4. 步驟5實驗結果

配置BFD和FRR技術后，非直連鏈路故障，BFD會話狀態(tài)很快變?yōu)閐own，HJ1檢測到鏈路故障，并將業(yè)務通過FRR快速切換到備用路由路徑，鏈路故障檢測和恢復時間在毫秒級，實驗測算到，其間ping命令的丟包率為0。

可見，不論是直連還是非直連鏈路故障，在配置BFD和FRR技術后，鏈路故障檢測和恢復的時間更快，網(wǎng)絡傳輸業(yè)務丟包率大幅降低。實驗結果驗證了應用BFD和FRR技術在民航TDM網(wǎng)中的有效性和優(yōu)勢。

五、結語

BFD技術在民航TDM網(wǎng)中能夠?qū)崿F(xiàn)快速的鏈路故障檢測。它可以在毫秒級別內(nèi)檢測到鏈路故障，并快速觸發(fā)故障處理程序。應用BFD技術能夠顯著提高網(wǎng)絡的可用性和穩(wěn)定性。FRR技術在民航TDM網(wǎng)中能夠?qū)崿F(xiàn)快速的鏈路切換和故障恢復。通過與BFD技術的結合，F(xiàn)RR技術能夠在鏈路故障發(fā)生時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)務的連續(xù)性和可靠性。綜上所述，在民航TDM網(wǎng)中應用BFD和FRR技術，對快速的鏈路故障檢測和恢復具有重要意義。

參考文獻：

［1］ 黃佳新. 淺談民航通信網(wǎng)架構及運用［J］. 信息通信，2020（10）：80-82.

［2］ 官健. 民航TDM網(wǎng)智能配置與快速檢測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］. 數(shù)字通信世界，2021（01）：88-91.

［3］ 李杰. 民航通信網(wǎng)可靠性技術應用研究［J］. 中國航務周刊，2021（37）：56-57.