李騰飛

（中通服咨詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

在IP化的背景下，移動(dòng)通信核心網(wǎng)需要充分挖掘利用有限的IP資源，并借助IP優(yōu)化維持IPv4的可持續(xù)利用。核心網(wǎng)在功能域上分為兩部分，分別是電路交換（Circuit Switch，CS）域和分組交換（Packet Switch，PS）域。CS域主要負(fù)責(zé)語(yǔ)音業(yè)務(wù)，通信之前資源預(yù)留，不同用戶(hù)獨(dú)占各自分配的資源，沒(méi)有統(tǒng)計(jì)復(fù)用。PS域主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，不同的用戶(hù)可以共享同樣的資源，統(tǒng)計(jì)復(fù)用。移動(dòng)通信核心網(wǎng)同時(shí)接入這兩個(gè)域，實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)多元業(yè)務(wù)的同時(shí)處理。由于核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)連接大量的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，鏈路存在故障隱患，因此需要通過(guò)雙向轉(zhuǎn)發(fā)檢測(cè)（Bidirectional Forwarding Detection，BDF）協(xié)議在核心網(wǎng)中的準(zhǔn)確部署來(lái)提升核心網(wǎng)的可靠性。

1 BFD協(xié)議在移動(dòng)通信核心網(wǎng)中應(yīng)用的機(jī)理

1.1 工作原理

BFD協(xié)議在兩個(gè)系統(tǒng)之間雙向轉(zhuǎn)發(fā)檢測(cè)，當(dāng)其中一個(gè)系統(tǒng)沒(méi)有及時(shí)接收到BFD報(bào)文時(shí)，則確定該鏈路中存在故障。根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定報(bào)文發(fā)送周期，防止持續(xù)性雙向檢測(cè)增加網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行負(fù)擔(dān)[1]。BFD協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中不具有鄰居發(fā)現(xiàn)機(jī)制，當(dāng)其發(fā)現(xiàn)鄰居后，將信息傳遞給BFD模塊。當(dāng)BFD在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有接收到網(wǎng)絡(luò)鏈路一端發(fā)送的報(bào)文時(shí)，則確定該鏈路出現(xiàn)問(wèn)題并將信息傳遞給上層協(xié)議，由其做出保護(hù)決策。以中間系統(tǒng)到中間系統(tǒng)（Intermediate System-to-Intermediate System，ISIS）路由協(xié)議與BFD聯(lián)動(dòng)為例：一是建立對(duì)話流程，ISIS具備鄰居發(fā)現(xiàn)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)鄰居后建立連接，同時(shí)將信息傳遞給BFD，然后BFD與ISIS形成對(duì)話連接；二是檢測(cè)故障處理流程，當(dāng)BFD檢測(cè)到故障后，會(huì)話由Up轉(zhuǎn)換成Down，將鏈路故障信息傳遞給ISIS，由ISIS進(jìn)行處理決策。

1.2 工作模式

BFD協(xié)議在移動(dòng)通信核心網(wǎng)中的應(yīng)用模式包括兩種，分別是異步模式與查詢(xún)模式。異步模式在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用較為廣泛，當(dāng)系統(tǒng)一端超過(guò)規(guī)定時(shí)間沒(méi)有接收到報(bào)文時(shí)，會(huì)話變?yōu)镈own。查詢(xún)模式中，系統(tǒng)與BFD建立對(duì)話后自身便具有鏈路檢測(cè)能力，當(dāng)該系統(tǒng)查詢(xún)鏈路時(shí)，會(huì)向另一個(gè)系統(tǒng)發(fā)送查詢(xún)報(bào)文，兩個(gè)系統(tǒng)也可同時(shí)查詢(xún)報(bào)文。如果網(wǎng)絡(luò)中建立了數(shù)量較多的BFD會(huì)話，查詢(xún)模式會(huì)檢測(cè)各個(gè)系統(tǒng)的鏈路情況，其中檢測(cè)鏈路由其他應(yīng)用決定。此外，回聲報(bào)文可以配合異步模式或查詢(xún)模式運(yùn)行，將系統(tǒng)端的報(bào)文反饋給對(duì)端。如果對(duì)端沒(méi)有及時(shí)接收?qǐng)?bào)文，則會(huì)話變?yōu)镈own[2]。采用回聲檢測(cè)鏈路會(huì)影響到BFD的報(bào)文傳輸，其直接原路徑返回報(bào)文，縮短了BFD報(bào)文發(fā)送時(shí)間，檢測(cè)也更加細(xì)致，能夠發(fā)現(xiàn)隱藏深處的故障問(wèn)題。

1.3 報(bào)文格式

BFD控制報(bào)文主要由兩部分組成：一是可選部分，主要作用是安全認(rèn)證；二是必選部分，主要用于會(huì)話狀態(tài)的控制。BFD控制報(bào)文必選部分的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 BFD控制報(bào)文必選部分具體結(jié)構(gòu)

其中Vers默認(rèn)值為1，表示協(xié)議的版本號(hào)。Diag表示會(huì)話狀態(tài)發(fā)生變化的原因，屬于診斷碼。例如，Diag為0表示會(huì)話狀態(tài)沒(méi)有變化，Diag為1表示報(bào)文檢測(cè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，Diag為2表示回聲功能失效，Diag為3表示對(duì)端會(huì)話為Down等。Sta是會(huì)話狀態(tài)，Sta為 0表 示 Admin Down，Sta為 1表 示 Down，Sta為2表示Init，Sta為3表示Up。此外，P與F是報(bào)文協(xié)商，C出現(xiàn)說(shuō)明控制平面故障，A是認(rèn)證功能使能，D是查詢(xún)模式，M是網(wǎng)絡(luò)為點(diǎn)對(duì)多模式。Detect Mult主要用于確定檢測(cè)時(shí)間，Length主要顯示報(bào)文長(zhǎng)度[3]。My Discriminator為鑒別器，可以區(qū)分不同會(huì)話，兩個(gè)對(duì)話端各自擁有自身的My Discriminator。Your Discriminator與My Discriminator相對(duì)應(yīng)，當(dāng)接收到對(duì)端的報(bào)文后，填寫(xiě)至Your Discriminator，建立雙方的對(duì)話。Desired Min TX Interval是最小發(fā)送間隔，而Required Min RX Interval是最小接收間隔。Required Min Echo RX Interval支持對(duì)端發(fā)送的回聲報(bào)文，并給出最大速率。

2 BFD協(xié)議在移動(dòng)通信核心網(wǎng)可靠性提升中的應(yīng)用方案

核心網(wǎng)組網(wǎng)采用IP技術(shù)，通過(guò)IP骨干網(wǎng)承載業(yè)務(wù)，連接核心網(wǎng)所有的業(yè)務(wù)網(wǎng)元，構(gòu)建扁平化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)拓展能力良好。移動(dòng)通信核心網(wǎng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中可靠性面臨著考驗(yàn)，例如鏈路故障導(dǎo)致會(huì)話中斷，信息在設(shè)備、端口延遲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)影響到業(yè)務(wù)處理的速率等[4]。核心網(wǎng)需要借助BFD協(xié)議快速雙向故障檢測(cè)機(jī)制加快故障修復(fù)速度，提高移動(dòng)通信核心網(wǎng)維護(hù)管理的質(zhì)量和效果。

2.1 應(yīng)用設(shè)計(jì)思路

將BFD協(xié)議應(yīng)用于移動(dòng)通信核心網(wǎng)，通過(guò)發(fā)送BFD報(bào)文雙向檢測(cè)核心網(wǎng)端對(duì)端鏈路通信故障，可以在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)故障并及時(shí)修復(fù)通信網(wǎng)絡(luò)，將故障鏈路切換至備用鏈路，維持核心網(wǎng)的永久持續(xù)運(yùn)行，將鏈路通信故障影響范圍控制在最小，提升核心網(wǎng)的可靠性。將BFD協(xié)議毫秒級(jí)故障檢測(cè)能力與核心網(wǎng)其他控制協(xié)議功能進(jìn)行整合，當(dāng)BFD檢測(cè)到故障后，核心網(wǎng)中其他控制協(xié)議自動(dòng)處理，實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)的故障處理。此外，以BFD作為輔助機(jī)制，為核心網(wǎng)提供故障檢測(cè)服務(wù)功能。其接口簡(jiǎn)單，不直接與其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行連接，但充分利用了其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議會(huì)話機(jī)制進(jìn)行核心網(wǎng)鏈路的狀態(tài)檢測(cè)，獲取鏈路的運(yùn)行狀況后將信息反饋給其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，由其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行故障的處理與恢復(fù)工作，從而提高了核心網(wǎng)的可靠性[5]。

2.2 BFD協(xié)議在核心網(wǎng)邊緣的應(yīng)用

移動(dòng)通信核心網(wǎng)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理，是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的最頂層，可以理解為一個(gè)由很多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成的超級(jí)路由器。為了控制訪問(wèn)與組網(wǎng)成本，核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以局域網(wǎng)的形式連接，借助交換機(jī)及路由器接入網(wǎng)絡(luò)，并在相應(yīng)設(shè)備上使用了虛擬路由器冗余協(xié)議（Virtual Router Redundancy Protocol，VRRP）。VRRP協(xié)議為備用機(jī)制，當(dāng)核心網(wǎng)中的路由器出現(xiàn)故障后，立即由虛擬路由器接替工作，以避免核心網(wǎng)業(yè)務(wù)的中斷。在實(shí)際應(yīng)用中，備份路由接替故障路由需要大約3 s，而將虛擬路由器冗余協(xié)議與BFD協(xié)議配合應(yīng)用，可將接替時(shí)間降至1 s以下[6]。核心網(wǎng)先接入多個(gè)路由器，然后與多個(gè)交換機(jī)連接。在交換機(jī)之間使用VRRP協(xié)議，同時(shí)在交換機(jī)與路由器之間采用BFD協(xié)議，BFD檢測(cè)到的故障信息傳遞至VRRP，VRRP根據(jù)檢測(cè)結(jié)果確定是否需要進(jìn)行備用虛擬路由的切換，加快了核心網(wǎng)故障處理的速度。

2.3 BFD協(xié)議在核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間的應(yīng)用

2.3.1 BFD和內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議聯(lián)用

移動(dòng)通信核心網(wǎng)中，路由器之間使用的是內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議，比較常用的有開(kāi)放式最短路徑優(yōu)先（Open Shortest Path First，OSPF）與ISIS。其中，OSPF協(xié)議為分布式鏈路狀態(tài)協(xié)議，ISIS是鏈路狀態(tài)路由協(xié)議。兩者都使用“Hello”協(xié)議發(fā)現(xiàn)鄰居，采用一個(gè)傳播協(xié)議發(fā)送鏈接信息來(lái)完成鏈路的故障檢測(cè)。BFD檢測(cè)時(shí)間為毫秒級(jí)，一般小于30 ms，OSPF協(xié)議通常為2 s，ISIS協(xié)議為1 s。在核心網(wǎng)絡(luò)中，使用BFD輔助OSPF或ISIS協(xié)議可以縮短核心網(wǎng)鏈路故障檢測(cè)時(shí)間，確保核心網(wǎng)的可靠性[7]。BFD與內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議聯(lián)用實(shí)現(xiàn)較為容易，內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議使用的是“Hello”協(xié)議進(jìn)行鏈路狀態(tài)檢測(cè)，在獲取檢測(cè)結(jié)果后促使兩個(gè)鄰居之間的BFD建立會(huì)話，從而進(jìn)行兩個(gè)鄰居之間的鏈路檢測(cè)。一旦BFD沒(méi)有啟動(dòng)，說(shuō)明該條鏈路存在問(wèn)題，內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議獲取反饋信息后做出故障處理反應(yīng)。

OSPF與ISIS協(xié)議本身存在不同，在故障處理表現(xiàn)上有一定的差異。OSPF處于IP層上，使用的是IPv4或IPv6協(xié)議。在應(yīng)用BFD協(xié)議時(shí)，只能檢測(cè)IP協(xié)議的鏈路。在IP層發(fā)生故障后，BFD協(xié)議失效，OSPF會(huì)取消連接并重新發(fā)現(xiàn)鄰居，建立新的路由連接。ISIS處于數(shù)據(jù)鏈路層，支持多種傳送協(xié)議且共享路由拓?fù)?。ISIS在核心網(wǎng)中通常為多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)ISIS與BFD協(xié)議會(huì)話建立失敗后，ISIS協(xié)議啟動(dòng)保護(hù)機(jī)制。在多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中，每個(gè)拓?fù)鋫鬟f不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型，即每個(gè)拓?fù)涠紩?huì)啟動(dòng)一個(gè)BFD會(huì)話，當(dāng)其中一個(gè)拓?fù)滏溌窓z測(cè)到故障時(shí)，ISIS接收故障信息后取消該鏈路并刪除該路由上的數(shù)據(jù)協(xié)議，其他無(wú)故障鏈路不間斷數(shù)據(jù)傳送，同時(shí)維持拓?fù)渲械腂FD會(huì)話。ISIS多拓?fù)滏溌饭收咸幚砣鐖D2所示。核心網(wǎng)中同時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)傳送協(xié)議1、2、3，當(dāng)R1與R2之間傳送協(xié)議3的鏈路出現(xiàn)故障后，ISIS取消數(shù)據(jù)傳送協(xié)議3，數(shù)據(jù)傳送協(xié)議1與2則正常傳送，其他拓?fù)洳皇苡绊慬8]。

圖2 ISIS多拓?fù)滏溌饭收咸幚?/p>

2.3.2 BFD與快速重路由聯(lián)用

快速重路由本質(zhì)是路由備份技術(shù)，適用于核心網(wǎng)丟包、延時(shí)等業(yè)務(wù)。在傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)鏈路層出現(xiàn)故障時(shí)，鏈路連接處于Down狀態(tài)，快速重路由檢測(cè)到故障后將信息反饋至上一層路由，同時(shí)重新計(jì)算路由，這一過(guò)程需要花費(fèi)大約幾秒鐘[9]。移動(dòng)通信核心網(wǎng)的規(guī)模大，局域網(wǎng)絡(luò)中包含著大量的路由器，如果路由收斂時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成故障處理反應(yīng)不及時(shí)，將影響到核心網(wǎng)的可靠性?；诖耍诵木W(wǎng)中的快速重路由與BFD聯(lián)用，可以有效解決快速重路由收斂時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，使網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)間縮減至毫秒級(jí)，進(jìn)一步提升核心網(wǎng)的可靠性[10]?？焖僦芈酚稍诤诵木W(wǎng)中設(shè)有一個(gè)主用接口與一個(gè)備用接口，主用接口設(shè)置BFD協(xié)議，當(dāng)BFD檢測(cè)到主用接口鏈路出現(xiàn)故障后，快速重路由根據(jù)BFD反饋的信息自動(dòng)啟用備用接口，借助該接口連接的路由接入核心網(wǎng)絡(luò)，降低快速重路由在切換過(guò)程中花費(fèi)的時(shí)間。在核心網(wǎng)業(yè)務(wù)容忍網(wǎng)絡(luò)中斷的時(shí)間范圍內(nèi)，進(jìn)一步提高核心網(wǎng)業(yè)務(wù)的安全可靠性。

3 結(jié) 論

核心網(wǎng)傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議在故障檢測(cè)及路由收斂過(guò)程中所需要的時(shí)間為秒級(jí)，導(dǎo)致移動(dòng)通信網(wǎng)經(jīng)常出現(xiàn)中斷，降低了核心網(wǎng)的可靠性?；诖?，借助BFD協(xié)議毫秒級(jí)的雙向故障檢測(cè)能力，將其部署在核心網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)間或網(wǎng)絡(luò)邊緣，輔助核心網(wǎng)中的其他網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議檢測(cè)故障，加快故障檢測(cè)及故障恢復(fù)的速度，從而提高移動(dòng)通信核心網(wǎng)的可靠性。