高性能T比特路由器高可用性的研究與實(shí)現(xiàn)
本文以高性能T比特核心路由器為實(shí)例，探討如何通過高可用性模塊的設(shè)計(jì)保證網(wǎng)絡(luò)的高可靠性，做到處理器故障不會影響網(wǎng)絡(luò)的連通性，更不會導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，從根本上解決數(shù)據(jù)中心的風(fēng)險(xiǎn)問題。
1 高可用性技術(shù)
高可用性是指可持續(xù)的、具有一致性和完整性的數(shù)據(jù)訪問。高可用性系統(tǒng)通過提高服務(wù)器可靠性、磁盤可靠性、應(yīng)用程序可靠性達(dá)到高可用性的要求?？梢酝ㄟ^共享磁盤陣列提高磁盤可靠性，使用冗余網(wǎng)絡(luò)提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，使用合作的服務(wù)器提高服務(wù)器可靠性，通過應(yīng)用程序的探測與有效恢復(fù)提高應(yīng)用程序的可靠性。
路由器作為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備，其高可用性至關(guān)重要。在硬件方面，路由器要有一個(gè)很好的體系結(jié)構(gòu)及各種冗余非常完善，關(guān)鍵部件如路由引擎和交換矩陣要有冗余。在軟件方面，其自身要強(qiáng)壯，另外在遇到更換硬件、系統(tǒng)升級、增加板卡和改變鏈路等網(wǎng)絡(luò)調(diào)整時(shí)，軟件要有能力保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)不受局部調(diào)整的影響，讓整個(gè)網(wǎng)絡(luò)體現(xiàn)出非常高的可用性，保證路由引擎進(jìn)行不丟包的切換。主引擎發(fā)生故障，切換到副引擎時(shí)不丟包，平滑切換，否則硬件的冗余就沒有意義，是假冗余。另外還要保證平穩(wěn)重啟。當(dāng)路由重啟時(shí)，由此產(chǎn)生的路由重新計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)范圍的路由更新會消耗掉處理資源，并有可能出現(xiàn)黑洞或瞬時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)循環(huán)形式的非預(yù)期網(wǎng)絡(luò)行為。而平穩(wěn)重啟會避免這種情況的發(fā)生。
根據(jù)以上要求，本文提出了一種適用于T比特路由器的主控軟件容錯(cuò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。采用硬件冗余與軟件容錯(cuò)相結(jié)合、熱備與雙工相結(jié)合的工作方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的容錯(cuò)熱備份方案，并根據(jù)該方案設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高可用性模塊。測試結(jié)果表明，采用該設(shè)計(jì)方案的主控軟件系統(tǒng)具有很好的容錯(cuò)性能和故障恢復(fù)能力，能夠滿足T比特路由器對主控軟件系統(tǒng)的高可用性要求。
2 基于高性能T比特路由器的主控軟件容錯(cuò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 主控軟件容錯(cuò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的基本問題
基于容錯(cuò)需求的考慮，當(dāng)主控系統(tǒng)出現(xiàn)軟硬件故障時(shí)路由器仍需要正常工作，故硬件配置采用1＋1冗余設(shè)計(jì)，配備主用(Active)和備用(Standby)兩塊主控板，構(gòu)建雙主控?zé)醾淙蒎e(cuò)系統(tǒng)。當(dāng)主用主控板發(fā)生故障，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行主備切換，由備用主控板接替主用板工作，保證業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行。當(dāng)主用模塊發(fā)生嚴(yán)重故障或主用復(fù)位時(shí)，將觸發(fā)自動(dòng)倒換方式，及時(shí)倒換到備用板。這種1＋1冗余設(shè)計(jì)可擴(kuò)展到N＋1冗余設(shè)計(jì)。
整個(gè)切換過程對用戶透明，需要考慮的重點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)在于主備系統(tǒng)間數(shù)據(jù)庫一致性問題、平滑切換技術(shù)的實(shí)現(xiàn)和故障監(jiān)測機(jī)制。
(1)數(shù)據(jù)庫一致性問題
路由器主控板上記錄了系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，因此正常工作中需要進(jìn)行實(shí)時(shí)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)備份，以保證主用和備用上的數(shù)據(jù)庫一致，否則在主備切換時(shí)，備用不能正常接替主用。針對該問題，在高可用性模塊的設(shè)計(jì)中，采用了一種雙工與熱備相結(jié)合的不完全熱備設(shè)計(jì)。需要備份的數(shù)據(jù)主要是系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的路由表項(xiàng)和轉(zhuǎn)發(fā)表表項(xiàng)。
雙工與熱備相結(jié)合的不完全設(shè)計(jì)是指：雙主控板上都運(yùn)行心跳探測程序用于故障探測，主用主控板上運(yùn)行路由器正常工作所需要的所有應(yīng)用程序，而備用主控板上運(yùn)行部分重要應(yīng)用程序。這些程序正常工作時(shí)與主用主控板上的程序有相同的輸入數(shù)據(jù)，但處理結(jié)果并不輸出。這樣的設(shè)計(jì)保證了路由器出現(xiàn)故障進(jìn)行切換時(shí)低耗時(shí)，減輕了需要備份的數(shù)據(jù)量，既不像完全雙工工作方式那樣浪費(fèi)資源，又避免了熱備工作方式的很多不足，性能明顯優(yōu)于純粹的熱備或者雙工方式。
數(shù)據(jù)備份有冷備份和熱備份兩種。冷備份是在數(shù)據(jù)庫已經(jīng)正常關(guān)閉的情況下，進(jìn)行完整數(shù)據(jù)庫的備份，是最快和最安全的方法。冷備份的最大問題是必須在數(shù)據(jù)庫關(guān)閉的情況下進(jìn)行，當(dāng)數(shù)據(jù)庫處于打開狀態(tài)時(shí)，執(zhí)行數(shù)據(jù)庫文件系統(tǒng)備份是無效的。
熱備份是在數(shù)據(jù)庫運(yùn)行時(shí)，采用archivelog mode方式備份數(shù)據(jù)。有雙機(jī)鏡像和共享磁盤陣列兩種方案。雙機(jī)鏡像方案可選擇將主數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上的表、文件、數(shù)據(jù)庫或全部內(nèi)容通過專用連接通道鏡像到備用服務(wù)器上，優(yōu)點(diǎn)是簡單、便宜，缺點(diǎn)是降低系統(tǒng)資源。共享磁盤陣列方案為兩臺主機(jī)共用一個(gè)磁盤陣列，優(yōu)點(diǎn)是不降低系統(tǒng)性能，為目前較為流行的主流技術(shù)，但要求磁盤陣列具有較高的可靠性。
對于運(yùn)行在骨干網(wǎng)中的路由器，冷備份顯然不適用。因?yàn)槁酚善鬟\(yùn)行過程中不可能定時(shí)關(guān)閉數(shù)據(jù)庫來備份數(shù)據(jù)，更不可能在路由器出現(xiàn)故障時(shí)再備份數(shù)據(jù)。因此采用熱備份。鑒于要備份的數(shù)據(jù)量不大，不必采取雙機(jī)鏡像和共享磁盤陣列方式。在本設(shè)計(jì)中采用了一種新型的數(shù)據(jù)熱備份方式：將需要備份的數(shù)據(jù)以日志文件的形式存儲，通過TCP傳輸方法將文件轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)流由主用主控板備份到備用主控板上，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)備份。面向連接的TCP傳輸可靠且速度快，丟失文件的概率極小。
(2)切換延時(shí)問題
路由器主控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，要能夠?qū)τ脩敉该鞯剡M(jìn)行主備切換，就要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的無縫切換，減少切換過程中的時(shí)延并降低數(shù)據(jù)丟失率。無縫切換是一種完美的切換，包括快速切換和平滑切換兩方面?？焖偾袚Q意味著低延遲，平滑切換就是低的數(shù)據(jù)包丟失率，無縫切換是兩者的結(jié)合，即低延遲和低丟失率。對于快速切換，要求在單板掉鏈之前完成切換過程，使備用主控板接替主用主控板的工作，保證路由器中的各個(gè)流程正常工作不受主控故障的影響，使網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行。對于平滑切換，有兩點(diǎn)要求：一是切換時(shí)，主備用主控板上的數(shù)據(jù)庫是一致的；二是在主備用數(shù)據(jù)庫一致的基礎(chǔ)上，備用主控板啟用后能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成備份數(shù)據(jù)的導(dǎo)入。所謂規(guī)定的時(shí)間，也包含在切換的總時(shí)間內(nèi)，切換時(shí)間＝發(fā)現(xiàn)故障時(shí)間＋啟用切換時(shí)間＋故障接管時(shí)間。
(3)故障監(jiān)測機(jī)制
系統(tǒng)中的兩塊主控板，經(jīng)過主備協(xié)商后確定主備地位，一塊為Master狀態(tài)，控制整個(gè)系統(tǒng)；另一塊為Slave狀態(tài)，處于備份狀態(tài)。兩塊主控板之間通過UDP傳輸心跳報(bào)文交互自身的狀態(tài)數(shù)據(jù)，以識別主控的軟/硬件故障。路由器正常運(yùn)行時(shí)，主用和備用主控板之間定時(shí)發(fā)送keepalive報(bào)文進(jìn)行心跳探測，報(bào)文內(nèi)容中包含了自身的狀態(tài)信息。備用主控板在定時(shí)器到期前未收到來自主用主控板的keepalive報(bào)文就認(rèn)為主用主控板失效，進(jìn)入主備切換，備用主控板成為新主用，自動(dòng)接管原主用主控板的服務(wù)程序，繼續(xù)提供服務(wù)。原主用主控板從故障中恢復(fù)或被更換后，會重新發(fā)送協(xié)商報(bào)文，與新主用主控板取得聯(lián)系，成為新備用主控板，而不必再進(jìn)行一次切換，節(jié)省了系統(tǒng)資源。
2.2 高可用性模塊的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
在主控軟件容錯(cuò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了兩塊主控板掛載八塊單板。兩塊主控板之間通過面向無連接的UDP通信機(jī)制交互心跳數(shù)據(jù)，通過面向連接的TCP通信機(jī)制傳輸備份文件數(shù)據(jù)流；主控板與單板之間通過高速以太網(wǎng)連接。圖1給出了該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖。
按照功能的不同，在設(shè)計(jì)方案中將高可用性模塊劃分為三個(gè)子模塊：AS通信模塊、AS系統(tǒng)監(jiān)控模塊和AS keepalive模塊，如圖2所示。
AS通信模塊負(fù)責(zé)主控系統(tǒng)上高可用性模塊與系統(tǒng)數(shù)據(jù)維護(hù)模塊(SYSDATA)和板間通信模塊(BDCOM)間的通信、數(shù)據(jù)備份和TCP傳輸。
AS監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)主控軟件各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)程的監(jiān)控、維護(hù)、管理等核心功能。當(dāng)某個(gè)軟件占CPU使用百分比過大時(shí)，則認(rèn)為該主控軟件運(yùn)行不正常，根據(jù)該軟件的運(yùn)行規(guī)則和重要性選擇恢復(fù)策略，重啟該進(jìn)程或者進(jìn)入主備切換。
AS keepalive模塊負(fù)責(zé)兩塊主控板之間的主備協(xié)商，確定主控板的主備地位；在路由器正常運(yùn)行過程中，定時(shí)向?qū)Ψ街骺匕灏l(fā)送keepalive報(bào)文進(jìn)行心跳探測；針對網(wǎng)絡(luò)擁塞可能導(dǎo)致的丟包以及CPU排隊(duì)處理多線程時(shí)可能超時(shí)處理keepalive報(bào)文造成的主用主控板“假死”現(xiàn)象，采用再協(xié)商(Re-negotiation)技術(shù)，在超時(shí)收不到對方主控板發(fā)送的keepalive報(bào)文時(shí)不直接認(rèn)為對方主控板故障，而是進(jìn)行一次退避，與對方發(fā)送協(xié)商報(bào)文進(jìn)行再協(xié)商。再協(xié)商與初始化過程中的主備協(xié)商不完全相同。Re-negotiation技術(shù)與通常采用的單純固定不變的心跳探測技術(shù)相比，可以更好地提高系統(tǒng)心跳環(huán)境的適應(yīng)能力和穩(wěn)定性，更好地保證系統(tǒng)的高可用性。
2.3 AS系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)
(1)整個(gè)AS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用層次與模塊相結(jié)合的結(jié)構(gòu)模型，克服了軟、硬件分離和脫節(jié)的問題，提高系統(tǒng)的靈活性和可移植性。模型的每一層均可以看作是一個(gè)相對獨(dú)立的系統(tǒng)。在每一層中又按照系統(tǒng)功能，劃分不同的功能模塊。各個(gè)模塊之間獨(dú)立工作，完成不同的功能，降低故障的概率。
(2)硬軟件相結(jié)合實(shí)現(xiàn)主控板的熱備份容錯(cuò)。
(3)采用熱備與雙工相結(jié)合的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)切換時(shí)間短，平均切換時(shí)間為0.8秒。
(4)切換過程中對用戶透明，無需重新啟動(dòng)主控板，對故障板支持熱插拔，方便維修。
(5)系統(tǒng)工作效率高。整個(gè)系統(tǒng)中，各個(gè)子模塊分工合作，數(shù)據(jù)備份及傳輸由AS通信模塊通過消息隊(duì)列和TCP傳輸完成。主控系統(tǒng)軟件的監(jiān)控和部分軟件的出錯(cuò)重啟由AS監(jiān)控模塊完成。AS keepalive模塊用UDP傳輸進(jìn)行主備間的心跳監(jiān)測通信，且在交互的心跳報(bào)文中包含了當(dāng)前主用和備用主控板的狀態(tài)數(shù)據(jù)等，用于更新狀態(tài)機(jī)，避免盲目切換和無效切換。
(6)本設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)更新，且一旦備用主控板收到TCP傳輸?shù)膫浞菸募蛯?dǎo)入到本地數(shù)據(jù)庫中，而不是出現(xiàn)故障進(jìn)行主備切換時(shí)再從數(shù)據(jù)備份文件中讀取數(shù)據(jù)。因此不會產(chǎn)生數(shù)據(jù)不同步的問題，而且大大地減少了切換時(shí)的工作量，加快了切換速度。
本文研究了T比特核心路由器的主控軟件結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了高可用性模塊。該模塊采用熱備份模式，通過對主控板的硬件冗余設(shè)置，配合軟件實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)熱備份及心跳探測等技術(shù)消除T比特路由器中主控單點(diǎn)故障。該模塊應(yīng)用于T比特路由器主控軟件系統(tǒng)中，當(dāng)主用主控板發(fā)生故障時(shí)，可以快速、準(zhǔn)確、平滑地進(jìn)行主備切換，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，最終實(shí)現(xiàn)路由器的高可用性。
參考文獻(xiàn)
1 James Aweya.On the design of IP routers Part 1：Router architectures.Journal of Systems Architecture 46(2000)：483～511
2 使用熱備份進(jìn)行分時(shí)恢復(fù).http：//www.eygle.com/ha/Use.Hot.Backup.Recover.Day.by.Day.htm
3 雙機(jī)熱備指南.http：//www.ha999.com/index.htm
4 申志冰，羅 宇.利用Heartbeat實(shí)現(xiàn)Linux上的雙機(jī)熱備份系統(tǒng).計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2002；(19)
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