高性能T比特路由器高可用性的研究與實現(xiàn)
本文以高性能T比特核心路由器為實例，探討如何通過高可用性模塊的設計保證網(wǎng)絡的高可靠性，做到處理器故障不會影響網(wǎng)絡的連通性，更不會導致整個網(wǎng)絡的癱瘓，從根本上解決數(shù)據(jù)中心的風險問題。
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)通過提高服務器可靠性、磁盤可靠性、應用程序可靠性達到高可用性的要求?？梢酝ㄟ^共享磁盤陣列提高磁盤可靠性，使用冗余網(wǎng)絡提高網(wǎng)絡可靠性，使用合作的服務器提高服務器可靠性，通過應用程序的探測與有效恢復提高應用程序的可靠性。
路由器作為計算機網(wǎng)絡的核心設備，其高可用性至關(guān)重要。在硬件方面，路由器要有一個很好的體系結(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)絡調(diào)整時，軟件要有能力保證整個網(wǎng)絡業(yè)務不受局部調(diào)整的影響，讓整個網(wǎng)絡體現(xiàn)出非常高的可用性，保證路由引擎進行不丟包的切換。主引擎發(fā)生故障，切換到副引擎時不丟包，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。當路由重啟時，由此產(chǎn)生的路由重新計算和網(wǎng)絡范圍的路由更新會消耗掉處理資源，并有可能出現(xiàn)黑洞或瞬時轉(zhuǎn)發(fā)循環(huán)形式的非預期網(wǎng)絡行為。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系統(tǒng)設計方案。采用硬件冗余與軟件容錯相結(jié)合、熱備與雙工相結(jié)合的工作方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的容錯熱備份方案，并根據(jù)該方案設計實現(xiàn)了高可用性模塊。測試結(jié)果表明，采用該設計方案的主控軟件系統(tǒng)具有很好的容錯性能和故障恢復能力，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系統(tǒng)設計
2.1 主控軟件容錯系統(tǒng)設計中的基本問題
基于容錯需求的考慮，當主控系統(tǒng)出現(xiàn)軟硬件故障時路由器仍需要正常工作，故硬件配置采用1＋1冗余設計，配備主用(Active)和備用(Standby)兩塊主控板，構(gòu)建雙主控熱備容錯系統(tǒng)。當主用主控板發(fā)生故障，系統(tǒng)自動進行主備切換，由備用主控板接替主用板工作，保證業(yè)務的正常運行。當主用模塊發(fā)生嚴重故障或主用復位時，將觸發(fā)自動倒換方式，及時倒換到備用板。這種1＋1冗余設計可擴展到N＋1冗余設計。
整個切換過程對用戶透明，需要考慮的重點和實現(xiàn)的難點在于主備系統(tǒng)間數(shù)據(jù)庫一致性問題、平滑切換技術(shù)的實現(xiàn)和故障監(jiān)測機制。
(1)數(shù)據(jù)庫一致性問題
路由器主控板上記錄了系統(tǒng)實時運行數(shù)據(jù)，因此正常工作中需要進行實時的系統(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，備用不能正常接替主用。針對該問題，在高可用性模塊的設計中，采用了一種雙工與熱備相結(jié)合的不完全熱備設計。需要備份的數(shù)據(jù)主要是系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的路由表項和轉(zhuǎn)發(fā)表表項。
雙工與熱備相結(jié)合的不完全設計是指：雙主控板上都運行心跳探測程序用于故障探測，主用主控板上運行路由器正常工作所需要的所有應用程序，而備用主控板上運行部分重要應用程序。這些程序正常工作時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。這樣的設計保證了路由器出現(xiàn)故障進行切換時低耗時，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)閉的情況下進行，當數(shù)據(jù)庫處于打開狀態(tài)時，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)庫運行時，采用archivelog mode方式備份數(shù)據(jù)。有雙機鏡像和共享磁盤陣列兩種方案。雙機鏡像方案可選擇將主數(shù)據(jù)庫服務器上的表、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器上，優(yōu)點是簡單、便宜，缺點是降低系統(tǒng)資源。共享磁盤陣列方案為兩臺主機共用一個磁盤陣列，優(yōu)點是不降低系統(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。
對于運行在骨干網(wǎng)中的路由器，冷備份顯然不適用。因為路由器運行過程中不可能定時關(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，不必采取雙機鏡像和共享磁盤陣列方式。在本設計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，實現(xiàn)實時備份。面向連接的TCP傳輸可靠且速度快，丟失文件的概率極小。
(2)切換延時問題
路由器主控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，要能夠?qū)τ脩敉该鞯剡M行主備切換，就要實現(xiàn)系統(tǒng)間的無縫切換，減少切換過程中的時延并降低數(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流程正常工作不受主控故障的影響，使網(wǎng)絡正常運行。對于平滑切換，有兩點要求：一是切換時，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)定的時間內(nèi)完成備份數(shù)據(jù)的導入。所謂規(guī)定的時間，也包含在切換的總時間內(nèi)，切換時間＝發(fā)現(xiàn)故障時間＋啟用切換時間＋故障接管時間。
(3)故障監(jiān)測機制
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。路由器正常運行時，主用和備用主控板之間定時發(fā)送keepalive報文進行心跳探測，報文內(nèi)容中包含了自身的狀態(tài)信息。備用主控板在定時器到期前未收到來自主用主控板的keepalive報文就認為主用主控板失效，進入主備切換，備用主控板成為新主用，自動接管原主用主控板的服務程序，繼續(xù)提供服務。原主用主控板從故障中恢復或被更換后，會重新發(fā)送協(xié)商報文，與新主用主控板取得聯(lián)系，成為新備用主控板，而不必再進行一次切換，節(jié)省了系統(tǒng)資源。
2.2 高可用性模塊的設計及實現(xiàn)
在主控軟件容錯系統(tǒng)設計中，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通信機制交互心跳數(shù)據(jù)，通過面向連接的TCP通信機制傳輸備份文件數(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，在設計方案中將高可用性模塊劃分為三個子模塊：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通信模塊負責主控系統(tǒng)上高可用性模塊與系統(tǒng)數(shù)據(jù)維護模塊(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)控模塊負責主控軟件各個系統(tǒng)進程的監(jiān)控、維護、管理等核心功能。當某個軟件占CPU使用百分比過大時，則認為該主控軟件運行不正常，根據(jù)該軟件的運行規(guī)則和重要性選擇恢復策略，重啟該進程或者進入主備切換。
AS keepalive模塊負責兩塊主控板之間的主備協(xié)商，確定主控板的主備地位；在路由器正常運行過程中，定時向?qū)Ψ街骺匕灏l(fā)送keepalive報文進行心跳探測；針對網(wǎng)絡擁塞可能導致的丟包以及CPU排隊處理多線程時可能超時處理keepalive報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)，在超時收不到對方主控板發(fā)送的keepalive報文時不直接認為對方主控板故障，而是進行一次退避，與對方發(fā)送協(xié)商報文進行再協(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)設計的特點
(1)整個AS系統(tǒng)的設計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相對獨立的系統(tǒng)。在每一層中又按照系統(tǒng)功能，劃分不同的功能模塊。各個模塊之間獨立工作，完成不同的功能，降低故障的概率。
(2)硬軟件相結(jié)合實現(xiàn)主控板的熱備份容錯。
(3)采用熱備與雙工相結(jié)合的設計，系統(tǒng)切換時間短，平均切換時間為0.8秒。
(4)切換過程中對用戶透明，無需重新啟動主控板，對故障板支持熱插拔，方便維修。
(5)系統(tǒng)工作效率高。整個系統(tǒng)中，各個子模塊分工合作，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重啟由AS監(jiān)控模塊完成。AS keepalive模塊用UDP傳輸進行主備間的心跳監(jiān)測通信，且在交互的心跳報文中包含了當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，避免盲目切換和無效切換。
(6)本設計中數(shù)據(jù)庫實時更新，且一旦備用主控板收到TCP傳輸?shù)膫浞菸募蛯氲奖镜?strong>數(shù)據(jù)庫中，而不是出現(xiàn)故障進行主備切換時再從數(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)，設計了高可用性模塊。該模塊采用熱備份模式，通過對主控板的硬件冗余設置，配合軟件實現(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故障。該模塊應用于T比特路由器主控軟件系統(tǒng)中，當主用主控板發(fā)生故障時，可以快速、準確、平滑地進行主備切換，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，最終實現(xiàn)路由器的高可用性。
參考文獻
1 James Aweya.On the design of IP routers Part 1：Router architectures.Journal of Systems Architecture 46(2000)：483～511
2 使用熱備份進行分時恢復.http：//www.eygle.com/ha/Use.Hot.Backup.Recover.Day.by.Day.htm
3 雙機熱備指南.http：//www.ha999.com/index.htm
4 申志冰，羅 宇.利用Heartbeat實現(xiàn)Linux上的雙機熱備份系統(tǒng).計算機工程與應用，2002；(19)
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