隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的安全可靠越來越受到人們的重視。路由器的高可用性成為網(wǎng)絡(luò)運營商們關(guān)注的焦點。高可用性是指路由器的不間斷運行能力，即持續(xù)操作能力。它要求路由器本身所采用的硬件和軟件系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠的性能，并且可以從軟件設(shè)計入手，實現(xiàn)一個高可用性的軟件產(chǎn)品。
　　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(shè)計保證網(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)致整個網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，從根本上解決數(shù)據(jù)中心的風(fēng)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(wù)器可靠性、磁盤可靠性、應(yīng)用程序" title="應(yīng)用程序">應(yīng)用程序可靠性達(dá)到高可用性的要求。可以通過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。
　　路由器作為計算機網(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(luò)調(diào)整時，軟件要有能力保證整個網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)不受局部調(diào)整的影響，讓整個網(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" title="重啟">重啟。當(dāng)路由重啟時，由此產(chǎn)生的路由重新計算和網(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系統(tǒng)設(shè)計方案。采用硬件冗余與軟件容錯相結(jié)合、熱備與雙工" title="雙工">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(shè)計實現(xiàn)了高可用性模塊。測試結(jié)果表明，采用該設(shè)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(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系統(tǒng)設(shè)計
2.1 主控軟件容錯系統(tǒng)設(shè)計中的基本問題
　　基于容錯需求的考慮，當(dāng)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(shè)計，配備主用(Active)和備用(Standby)兩塊主控板" title="主控板">主控板，構(gòu)建雙主控?zé)醾淙蒎e系統(tǒng)。當(dāng)主用主控板發(fā)生故障，系統(tǒng)自動進(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)的正常運行。當(dāng)主用模塊發(fā)生嚴(yán)重故障或主用復(fù)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(shè)計可擴(kuò)展到N＋1冗余設(shè)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(jìn)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(shè)計中，采用了一種雙工與熱備相結(jié)合的不完全熱備設(shè)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(shè)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(yīng)用程序，而備用主控板上運行部分重要應(yīng)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(shè)計保證了路由器出現(xiàn)故障進(jìn)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(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，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(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(shè)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(jìn)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。快速切換意味著低延遲，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(luò)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(dǎo)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(jìn)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(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)計及實現(xiàn)
　　在主控軟件容錯系統(tǒng)設(shè)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。

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