徐夢瓊,陳臨強(qiáng)

(杭州電子科技大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院,浙江 杭州 310018)

基于SPB的實時備份技術(shù)

徐夢瓊,陳臨強(qiáng)

(杭州電子科技大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院,浙江 杭州 310018)

針對SPB協(xié)議網(wǎng)絡(luò)中的分布式設(shè)備在發(fā)生故障時引起的用戶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中斷的問題,文中采用NSR技術(shù),將主控板上的SPB協(xié)議數(shù)據(jù)進(jìn)行報文封裝,利用高可靠性機(jī)制進(jìn)行板間通信,實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)備份。模擬實驗表明,當(dāng)主控板發(fā)生故障時,備用主控板升級為新主控板,恢復(fù)備份數(shù)據(jù),不會引起用戶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中斷。

SPB;分布式;不間斷轉(zhuǎn)發(fā);NSR

當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)中存在著大量分布式設(shè)備,該類設(shè)備一般配備兩塊主控板和多塊接口板,將控制業(yè)務(wù)和轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)嚴(yán)格分開。主控板負(fù)責(zé)設(shè)備的控制和管理平面業(yè)務(wù),比如鏈路信息學(xué)習(xí)、路由計算等,而接口板則根據(jù)主控板的通知消息來維護(hù)轉(zhuǎn)發(fā)表項,并根據(jù)該表項進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)?？刂婆c轉(zhuǎn)發(fā)彼此獨(dú)立的分布式設(shè)備將業(yè)務(wù)完全分離,各自進(jìn)行處理。因此在該類設(shè)備結(jié)構(gòu)上可以實現(xiàn)當(dāng)主控板由于硬件或者軟件發(fā)生故障而重啟,或者要進(jìn)行軟件版本在線升級、協(xié)議重啟等因素導(dǎo)致的重啟時,備用主控板接替工作,而轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)依舊可以根據(jù)表項進(jìn)行不間斷轉(zhuǎn)發(fā)。文獻(xiàn)[1]利用GR(Graceful Restart)平滑重啟實現(xiàn)了OSPF(Open Shortest Path First)的不間斷轉(zhuǎn)發(fā)功能。GR技術(shù)在設(shè)備主控板發(fā)生重啟時,通知周圍也具有GR能力的設(shè)備維持鄰接關(guān)系和路由信息不變,并協(xié)助本端進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)至重啟前狀態(tài),期間接口板正常轉(zhuǎn)發(fā),實現(xiàn)不間斷轉(zhuǎn)發(fā)功能。但GR技術(shù)需要具有支持GR功能的周邊設(shè)備配合才能使本端設(shè)備恢復(fù)數(shù)據(jù),不僅獨(dú)立性不夠,而且應(yīng)用場景也受到局限[2-4]。本文針對GR技術(shù)的缺陷,提出了一種新的不間斷轉(zhuǎn)發(fā)實時備份技術(shù)-NSR(Not-Stop Routing),并在SPB(Shortest Path Bridging)中得到了良好的應(yīng)用。

1 SPB協(xié)議概述

SPB支持?jǐn)?shù)據(jù)中心虛擬化后的大規(guī)模二層網(wǎng)絡(luò),其借鑒三層協(xié)議IS-IS(Intermediate System-to-Intermediate System,中間系統(tǒng)到中間系統(tǒng))的思想,將其引入二層網(wǎng)絡(luò),將二層的簡單、靈活與三層的穩(wěn)定、高性能和可擴(kuò)展性相結(jié)合。從而建立一個大型而扁平的無阻塞二層網(wǎng)絡(luò)[5]。

SPB協(xié)議涉及控制和數(shù)據(jù)兩個工作平面。數(shù)據(jù)平面基于控制平面正常運(yùn)行情況下才能進(jìn)行。SPB的數(shù)據(jù)平面就是對用戶網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)信息在SPB骨干網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),使其到達(dá)目的用戶網(wǎng)絡(luò)中。該工作就是將接收到的用戶數(shù)據(jù)報文進(jìn)行SPB協(xié)議封裝[6-7]。

而對于SPB的控制平面就是生成用戶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的路徑,從而指導(dǎo)SPB的數(shù)據(jù)平面工作。而本文的NSR技術(shù)是將SPB協(xié)議的靜態(tài)配置數(shù)據(jù)和動態(tài)路由鏈路信息實時備份至分布式設(shè)備中的備板,從而提高SPB協(xié)議運(yùn)行的容錯性[8]。

圖1 SPB協(xié)議骨干網(wǎng)絡(luò)圖

2 方法概述

NSR(Not-Stop Routing)技術(shù),是一種分布式設(shè)備在主控板發(fā)生意外時,依舊能進(jìn)行不間斷數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的技

術(shù)。該技術(shù)核心利用實時備份思想,將主控板的控制數(shù)據(jù)實時備份至備用主控板上,使主、備兩塊板的數(shù)據(jù)始終保持一致。而當(dāng)主控板發(fā)生故障,促使備用主控板升級為主控板期間進(jìn)入NSR數(shù)據(jù)平滑階段,將實時備份的數(shù)據(jù)恢復(fù),使得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)不中斷[9-10]。實時備份流程如圖2所示。2.1 備份數(shù)據(jù)封裝

由圖2可以看到,支持NSR特性的應(yīng)用進(jìn)程使能該特性后,若需要備份的數(shù)據(jù)在運(yùn)行過程中發(fā)生變化,如添加、刪除、更新等,NSR就需要將該數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的格式封裝,這樣讓備用主控板接收到數(shù)據(jù)消息后,能更好地進(jìn)行數(shù)據(jù)解析,并正確的按類型進(jìn)行備份。

圖2 NSR實時備份流程圖

備份數(shù)據(jù)根據(jù)TLV格式進(jìn)行封裝。TLV(Type-Length-Value),T代表數(shù)據(jù)類型,占1 Byte;Length代表封裝數(shù)據(jù)信息的長度,也占1 Byte;Value就是代表封裝數(shù)據(jù)信息。主控板將備份數(shù)據(jù)進(jìn)行TLV格式封裝以后,將其發(fā)送給備用主控板,備用主控板接收到消息后,進(jìn)行TLV解析,當(dāng)讀取Length字節(jié)時,根據(jù)該字節(jié)的長度信息,讀取Length長度的Value信息,并將該信息按照Type類型備份至備進(jìn)程相應(yīng)位置。在SPB的應(yīng)用中,可以將SPB的控制數(shù)據(jù)分為以下幾種類型:

(1)BK_DATA_SPB_CFG:SPB視圖下的配置數(shù)據(jù)。

(2)BK_DATA_SPB_RUN:SPB的動態(tài)數(shù)據(jù)。

(3)BK_DATA_SPB_MSTP:SPB配合協(xié)議MSTP的域數(shù)據(jù)。

(4)BK_DATA_LSP_RUN:SPB的鏈路信息。

(5)BK_DATA_ADJ_RUN:SPB的鄰居狀態(tài)信息。

根據(jù)以上類型,進(jìn)行SPB控制數(shù)據(jù)TLV封裝。并將封裝數(shù)據(jù)通過備份緩存發(fā)送至備用主控板上的備用SPB應(yīng)用進(jìn)程中進(jìn)行數(shù)據(jù)實備。使用TLV封裝格式,避免了預(yù)先分配數(shù)據(jù)字段長度,當(dāng)實際需封裝的數(shù)據(jù)信息量少而引起的帶寬浪費(fèi),提高了板間通信的靈活性。

2.2 板間通信

板間通信是成功進(jìn)行實時備份的重要機(jī)制,它是主控板與備用主控板之間通信的橋梁,沒有該機(jī)制,NSR技術(shù)將無法實現(xiàn)。采用HA(High Available,高可靠性)機(jī)制,該機(jī)制是Linux Latch系列中的高可靠性解決方案,當(dāng)主控板發(fā)生故障時,觸發(fā)HA進(jìn)行故障檢測,通知備用主控板進(jìn)行升級操作,從而進(jìn)行主備倒換。根據(jù)這一原理,進(jìn)行NSR實時備份時,先將備份數(shù)據(jù)存儲在緩存中,并主動觸發(fā)HA機(jī)制,使HA讀取緩存中的數(shù)據(jù),然后發(fā)送給備用主控板,完成板間通信。而由于HA是一個獨(dú)立的系統(tǒng)進(jìn)程,主控板將數(shù)據(jù)的實時備份委托給HA進(jìn)程,使SPB實時備份過程在后臺操作,這樣SPB進(jìn)程得到空閑,繼續(xù)處理SPB的控制業(yè)務(wù)。從而提高了業(yè)務(wù)處理的吞吐量。

3 NSR數(shù)據(jù)平滑

當(dāng)主控板發(fā)生故障意外時,需進(jìn)行主備倒換,備用主控板的應(yīng)用進(jìn)程需要進(jìn)入NSR,進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑恢復(fù),使得備用主控板升級成為主控板后,無縫接替原先主控板進(jìn)行業(yè)控制務(wù)處理工作。

當(dāng)HA檢測到主控板故障后,選取一塊備用主控板為新主控板。此時,原主控板進(jìn)行降級操作,清除所有應(yīng)用進(jìn)程中的控制數(shù)據(jù),降為備用主控板,等待新主控板的實時備份數(shù)據(jù)。而新主控板進(jìn)行升級操作,數(shù)據(jù)平滑,將業(yè)務(wù)進(jìn)程調(diào)用至運(yùn)行態(tài),從而升級成為主控板,繼續(xù)處理控制平面的業(yè)務(wù)。而在升級過程中,新主進(jìn)程需進(jìn)入NSR數(shù)據(jù)平滑階段,按照備份數(shù)據(jù)信息主次順序進(jìn)行階段性恢復(fù),直到所有備份信息完全恢復(fù),達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。根據(jù)實際業(yè)務(wù)應(yīng)用進(jìn)行NSR階段劃分。本文根據(jù)SPB的應(yīng)用實例,將NSR數(shù)據(jù)平滑階段分為7個階段:

(1)NSR初始階段。喚醒備用進(jìn)程,即喚醒備SPB,使其進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)?；謴?fù)SPB視圖下的配置數(shù)據(jù)信息和動態(tài)數(shù)據(jù),然后恢復(fù)SPB鄰居接口及其相關(guān)配置數(shù)據(jù),同時恢復(fù)鄰居狀態(tài)信息,從而恢復(fù)SPB鄰居信息。根據(jù)恢復(fù)出的信息生成本端鏈路信息,并掛載在鏈路信息變化鏈表下。

(2)NSR數(shù)據(jù)平滑階段。分析備份數(shù)據(jù)中的鏈路信息,根據(jù)備份中鏈路信息的增刪改標(biāo)記,將其做出對應(yīng)增刪改操作,使其恢復(fù)至最終鏈路信息。

(3)NSR系統(tǒng)平穩(wěn)階段。根據(jù)(1)中的變化鏈表下的鏈路信息與(2)中平滑的備份鏈路信息,重新組裝成包括本地鏈路信息和非本地鏈路信息的整網(wǎng)鏈路信息。

(4)NSR鏈路報文生成與清理階段。將(3)中重新組裝的鏈路信息,生成報文,并刪除備份連表信息和變化鏈表信息。生成的報文將在NSR平滑結(jié)束后發(fā)送至周圍鄰居設(shè)備。

(5)NSR第一次路由計算階段。根據(jù)(3)中的恢復(fù)的鏈路信息,重新進(jìn)行路由計算,得到最新的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。

(6)NSR表項同步階段。與周邊設(shè)備進(jìn)行表項同步,然后進(jìn)行表項下發(fā)。

(7)NSR平滑結(jié)束。平滑結(jié)束,SPB繼續(xù)工作,發(fā)送鏈路報文,同時將重新恢復(fù)的數(shù)據(jù)實時備份至新備用主控板上。

根據(jù)以上7個平滑階段,NSR數(shù)據(jù)恢復(fù)不需要周圍設(shè)備的協(xié)助,就能較好地將SPB控制信息進(jìn)行恢復(fù)。NSR平滑數(shù)據(jù),保證了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在發(fā)生故障重啟時能進(jìn)行不間斷的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。而其數(shù)據(jù)平滑階段可以根據(jù)實際應(yīng)用進(jìn)行劃分,結(jié)合SPB協(xié)議功能數(shù)據(jù),將其劃分為7個等級。

4 NSR在SPB應(yīng)用的實驗結(jié)果

NSR技術(shù)主要結(jié)合了SPB協(xié)議進(jìn)行闡述,并在s12510X設(shè)備上,結(jié)合TestCenter測試儀進(jìn)行模擬打流,驗證了NSR在發(fā)生故障情況下的不間斷轉(zhuǎn)發(fā)功能。模擬實驗結(jié)果對比顯示:不使能NSR特性的SPB進(jìn)行主備倒換,TestCenter測試儀顯示流量發(fā)生中斷,如圖3和圖4所示;而使能NSR的SPB在進(jìn)行主備倒換時,流量轉(zhuǎn)發(fā)不發(fā)生中斷,如圖5和圖6所示。

圖3 非NSR-SPB網(wǎng)絡(luò)主備倒換發(fā)生斷流

圖4 非NSR-SPB網(wǎng)絡(luò)主備倒換結(jié)束

圖5 NSR-SPB網(wǎng)絡(luò)主備倒換不發(fā)生斷流

圖6 NSR-SPB網(wǎng)絡(luò)主備倒換結(jié)束

5 結(jié)束語

本文提出了一種新的流量轉(zhuǎn)發(fā)不間斷技術(shù),即NSR技術(shù),并在SPB協(xié)議中進(jìn)行了模擬驗證。NSR技術(shù)將分布式設(shè)備中主控板上的SPB控制數(shù)據(jù)進(jìn)行TLV格式封裝,并利用HA機(jī)制實時備份至備用主控板上。當(dāng)主控板發(fā)生故障時,備用主控板升級進(jìn)入NSR數(shù)據(jù)平滑階段,用7個平滑階段將SPB數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑恢復(fù),實現(xiàn)不間斷轉(zhuǎn)發(fā)功能。NSR技術(shù)不僅可以在SPB中得到應(yīng)用,而且還可以結(jié)合具體協(xié)議應(yīng)用于其他協(xié)議中。

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A kind of Real-Time Backup Technology Based on SPB

XU Mengqiong,CHEN Linqiang

(School of Computer Science,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China)

SPB’s distributed network equipment causes data forwarding interruption in the event of a failure.To solve this problem,this paper proposes a new non-stop data forwarding technology,NSR.By this technology,the SPB data on the control board is encapsulated,and communication between boards is done by reliable mechanisms and thus real-time data backup is achieved.Simulation shows that the standby board will become the control board when the control board breaks down to restore the backup data,thus avoiding the interruption of data forwarding.

SPB;distributed;non-stop data forwarding;NSR

2014- 09- 29

徐夢瓊(1989—),女,碩士研究生。研究方向:通信技術(shù)。E-mail:1004145681@qq.com

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.04.009

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