電力信息網(wǎng)絡(luò )故障自動(dòng)探測策略論文

　　摘要：電力企業(yè)的信息網(wǎng)絡(luò )承載著(zhù)日常生產(chǎn)辦公的重要業(yè)務(wù)，縣級公司至地市公司的信息主干網(wǎng)絡(luò )一般采用一主一備的雙通道模式，遇故障時(shí)通道自動(dòng)倒換成為提高網(wǎng)絡(luò )可靠性的重要因素。為了解決公司信息網(wǎng)絡(luò )出現的故障發(fā)生時(shí)無(wú)法識別、倒換的問(wèn)題，文章通過(guò)探尋原因，提出采用網(wǎng)絡(luò )質(zhì)量分析（NetworkQualityAnalyzer，NQA）、雙向轉發(fā)檢測（BidirectionalForwardingDetection，BFD）、Track等故障探測策略來(lái)解決路由黑洞問(wèn)題，實(shí)現了故障時(shí)的自動(dòng)檢測，能夠預防由于單點(diǎn)故障造成的網(wǎng)絡(luò )中斷事件。

　　關(guān)鍵詞：電力信息網(wǎng)絡(luò )；雙通道；自動(dòng)倒換；故障探測

　　引言

　　隨著(zhù)電力行業(yè)由“企業(yè)信息化”向“信息化企業(yè)”的轉變，信息系統與企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)聯(lián)系更加緊密[1]。企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò )作為生產(chǎn)辦公的重要網(wǎng)絡(luò )，龐大的用戶(hù)群體、廣泛的業(yè)務(wù)應用對其安全性、可靠性提出了嚴峻的考驗[2]�？h級供電公司至地市公司信息主干網(wǎng)絡(luò )是與上級單位進(jìn)行信息交互的唯一通道，是公司信息網(wǎng)絡(luò )的最核心部分。為提高網(wǎng)絡(luò )可靠性，一般采用雙通道冗余配置，鏈路狀態(tài)的探測和鏈路狀態(tài)的快速自動(dòng)倒換成為亟需解決的問(wèn)題[3]。當主用鏈路突然出現各種類(lèi)型的故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò )能夠識別并自動(dòng)切換至備用鏈路，保證在運業(yè)務(wù)不發(fā)生中斷，以上這些是實(shí)現網(wǎng)絡(luò )結構健壯性的重要挑戰[4-6]�；�于日常運維經(jīng)驗及從對運營(yíng)商、各企業(yè)網(wǎng)的調研中發(fā)現，網(wǎng)絡(luò )鏈路故障時(shí)經(jīng)常發(fā)生無(wú)法自動(dòng)倒換這一缺陷，且容易被忽視，對在運業(yè)務(wù)造成了嚴重影響。為了解決這一問(wèn)題，文中對故障探測策略的分析和應用進(jìn)行了探討。

　　1信息網(wǎng)絡(luò )概況及面臨的問(wèn)題

　　該信息網(wǎng)絡(luò )為“口”字形雙鏈路組網(wǎng)（見(jiàn)圖1）。因電力企業(yè)豐富的光傳輸鏈路資源，光傳輸以太鏈路的應用相當廣泛[7]，光傳輸以太鏈路結構如圖2所示。信息網(wǎng)絡(luò )主通道承載在光傳輸以太鏈路上，上聯(lián)至ATM廣域網(wǎng)；備通道為光纖直連通道，上聯(lián)至數據通信網(wǎng)。信息網(wǎng)絡(luò )與廣域網(wǎng)之間的2臺邊界路由器H3CSR1、H3CSR2通過(guò)開(kāi)放式最短路徑優(yōu)先（OpenShortestPathFirst，OSPF）協(xié)議設置cost值來(lái)控制主備優(yōu)先級；均寫(xiě)入缺省路由指向上一級廣域網(wǎng)，其通過(guò)采用下發(fā)缺省路由的方式，將缺省路由通告到整個(gè)OSPF域中。對于IP網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)，Ethernet接口的故障檢測時(shí)延沒(méi)有保證，尤其是當網(wǎng)絡(luò )設備間以太鏈路經(jīng)過(guò)一些傳送設備時(shí)，鏈路的狀態(tài)有時(shí)無(wú)法反映網(wǎng)絡(luò )設備的狀態(tài)。靜態(tài)路由具有可靠、安全、穩定、高效等特性，比較適用于接入路由至核心路由的級聯(lián)，但其缺少網(wǎng)絡(luò )動(dòng)態(tài)變化的反應能力[8]。因為SR1上存在缺省路由，當至上級的遠端鏈路中斷時(shí)，由于中間的光傳輸設備的原因，SR1的G1/0/0端口一直up，造成SR1上這條缺省路由一直生效，因此無(wú)法倒換到備用通道。即導致所謂的“路由黑洞”問(wèn)題[9]。根據信息網(wǎng)絡(luò )雙出口設計的不同，出現的問(wèn)題也多種多樣，所需采用的探測策略也不同。下面針對雙通道自動(dòng)倒換的需求，對幾種典型探測方法進(jìn)行討論。

　　2幾種故障自動(dòng)探測策略的技術(shù)特征

　　隨著(zhù)IP網(wǎng)絡(luò )多業(yè)務(wù)的應用和高實(shí)時(shí)性需求，網(wǎng)絡(luò )對故障的反應速度成為衡量網(wǎng)絡(luò )可靠性的重要參數。傳統的慢hello機制的方法已暴露出明顯的缺陷，無(wú)法滿(mǎn)足當前IP業(yè)務(wù)應用的飛速發(fā)展。各種IP協(xié)議，如OSPF、中間系統到中間系統（IntermediateSystemtoIntermediateSystem，ISIS）對于故障的反應速度一般需要1s以上。網(wǎng)絡(luò )接入側所使用的虛擬路由冗余協(xié)議（VirtualRouterRedundancyProtocol，VRRP）等冗余熱備方法，故障切換時(shí)間也需1s以上，對于電信級的網(wǎng)絡(luò )而言，難以達到50ms內切換的標準。接入網(wǎng)絡(luò )與核心網(wǎng)絡(luò )級聯(lián)通常采用的靜態(tài)路由協(xié)議，更是不具備鏈路狀態(tài)反應能力，只要端口狀態(tài)正常，則路由條目一直生效，故障發(fā)生時(shí)無(wú)法切換。在這種情況下，一些故障探測策略應運而生，可以有效彌補現實(shí)網(wǎng)絡(luò )中存在的不足。2.1BFD技術(shù)雙向轉發(fā)檢測（BidirectionalForwardingDetection，BFD）是一種通用的協(xié)議，獨立于上層應用程序，無(wú)關(guān)通道類(lèi)型，采用了一種簡(jiǎn)單的hello機制，可以達到毫秒級的故障檢測速度。BFD是在上層協(xié)議的基礎上建立BFD會(huì )話(huà)，不具備自己的發(fā)現機制[10]。通過(guò)發(fā)送、接收BFD會(huì )話(huà)的過(guò)程，判斷雙方之間的狀態(tài)并確定故障的發(fā)生，與光傳輸中的“LOS”信號具有相似的機理。BFD具有靈活的特點(diǎn)：BFD可以實(shí)現單跳檢測，也可以實(shí)現多跳檢測；BFD的檢測周期可以根據實(shí)際需要進(jìn)行設置；BFD可以實(shí)現與多種上層協(xié)議的聯(lián)合使用。1）BFD與快速重路由（FastReroute，FRR）的聯(lián)合使用。在網(wǎng)絡(luò )規模較大或結構較為復雜的網(wǎng)絡(luò )，當發(fā)生故障時(shí)，路由的計算、收斂耗時(shí)較長(cháng)。FRR是網(wǎng)絡(luò )中指定的備份路由，當故障發(fā)生時(shí)可以實(shí)現快速切換。BFD與FRR的聯(lián)合使用，更加進(jìn)一步加快網(wǎng)絡(luò )的故障響應速度，大大縮短故障時(shí)間。2）BFD與內部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（InteriorGatewayProtocol，IGP）聯(lián)合使用。ISIS的故障檢測時(shí)間大約為1s，OSPF的故障檢測時(shí)間大約為2s。而B(niǎo)FD的快速故障檢測速度與ISIS、OSPF的聯(lián)動(dòng)，可以將故障檢測時(shí)間降至毫秒級。3）在網(wǎng)絡(luò )邊緣部署BFD。接入網(wǎng)絡(luò )與主干網(wǎng)絡(luò )的互聯(lián)一般通過(guò)2臺出口交換機或路由器設備，利用VRRP提高雙出口網(wǎng)絡(luò )的可靠性。而通過(guò)BFD探測雙出口鏈路狀態(tài)，可以不必等到VRRP自身感知到鏈路故障這段耗時(shí)，提前通過(guò)BFD聯(lián)動(dòng)VRRP實(shí)現故障倒換[11-12]。當網(wǎng)絡(luò )出現故障時(shí)，BFD的檢測原理如圖3所示。1）BFD在會(huì )話(huà)中監測到設備或鏈路故障；2）BFD鄰居會(huì )話(huà)被拆除；3）BFD將鄰居不可達信息通知給本地上層協(xié)議；4）上層協(xié)議鄰居關(guān)系被中止，具備條件時(shí)啟用備用路徑。2.2NQA技術(shù)網(wǎng)絡(luò )質(zhì)量分析（NetworkQualityAnalyzer，NQA）適用于H3C等系列設備，可以實(shí)現對網(wǎng)絡(luò )丟包率、網(wǎng)絡(luò )時(shí)延、網(wǎng)絡(luò )抖動(dòng)等性能的監測。通過(guò)測試報文的周期發(fā)送，實(shí)現對網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)和服務(wù)質(zhì)量的精確測量，為用戶(hù)提供了反映網(wǎng)絡(luò )質(zhì)量的系列參數。NQA可以實(shí)現與Track的聯(lián)動(dòng)。NQA將自身監測到的結果反饋給Track，觸發(fā)Track與應用程序的聯(lián)動(dòng)，實(shí)現對網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)變化的快速反應。NQA可以支持多種網(wǎng)絡(luò )測試類(lèi)型，并支持多測試組的并發(fā)，如：可支持ICMP-echo、FTP、TCP、UDP-echo等多達11種測試類(lèi)型。以ICMP-echo的應用舉例：NQA根據設定的探測周期定期向目的地址發(fā)送ICMP-echorequest報文，通過(guò)對端回復的ICMP-echoreply報文的情況，計算得出響應時(shí)間、丟包率等關(guān)鍵參數，為用戶(hù)提供該網(wǎng)絡(luò )的服務(wù)質(zhì)量情況，從而快速切換網(wǎng)絡(luò )。NQA目前實(shí)現了與多種應用程序的聯(lián)動(dòng)，如VRRP、策略路由（PolicyBasedRouting，PBR）、靜態(tài)路由等。2.3IPSLA技術(shù)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)等級協(xié)議（InternetProtocolService-LevelAgreement，IPSLA）適用于Cisco設備，一般適用于Cisco企業(yè)版IOS等。用法與NQA有極大相似性。IPSLA是主動(dòng)網(wǎng)絡(luò )測量手段，采用了一種動(dòng)態(tài)流量監測方法；可用的測量類(lèi)型和測量次數非常豐富；也是采用定期測試的方法。其測試原理可比喻成一個(gè)實(shí)際的人，通過(guò)ping、www、telnet等訪(fǎng)問(wèn)某目的地址，并以此判斷網(wǎng)絡(luò )的運行狀況�？蓪�(shí)現與CiscoTrack的聯(lián)動(dòng)。通過(guò)Track，將IPSLA的探測結果影響到熱備份路由協(xié)議（HotStandbyRouterProtocol，HSRP）、PBR、浮動(dòng)靜態(tài)路由等協(xié)議，實(shí)現故障的快速切換。2.4Track技術(shù)Track的用途是實(shí)現聯(lián)動(dòng)功能（見(jiàn)圖4）。Track聯(lián)動(dòng)功能是聯(lián)系起應用模塊和監測模塊的橋梁。利用上文介紹的BFD、NQA、IPSLA等監測模塊進(jìn)行檢測，通過(guò)Track的橋梁作用，將檢測結果反饋給應用模塊，促使應用程序的進(jìn)一步執行。例如：在靜態(tài)路由、Track、NQA間建立聯(lián)動(dòng)。當NQA監測到靜態(tài)路由下一跳地址不可達時(shí)，立即觸發(fā)Track，將靜態(tài)路由條目置為無(wú)效。通過(guò)這樣的聯(lián)動(dòng)，實(shí)現了靜態(tài)路由有效性的實(shí)時(shí)判斷，克服了靜態(tài)路由無(wú)動(dòng)態(tài)反應能力的不足。

　　3故障檢測與保護的解決方案

　　3.1應用場(chǎng)景A針對上文所述的該公司信息網(wǎng)絡(luò )存在的問(wèn)題，在SR1上采用Track+NQA+靜態(tài)路由的方式，當主通道側光傳輸以太鏈路中斷時(shí)，雖然G1/0/0端口up，但經(jīng)測試IP：10.b.b.b不可達，這時(shí)，SR1的缺省路由失效，實(shí)現倒換至備通道。雖然主通道故障時(shí)，數據的發(fā)送倒換至備用通道，但采用下發(fā)缺省路由的方式，已將缺省路由通告到整個(gè)OSPF域中。ATM廣域網(wǎng)Iproute-static0.0.0.00.0.0.010.b.b.b（cost20）的缺省路由條目，在其老化時(shí)間內，仍舊向主通道返回數據，收發(fā)路徑不一致，網(wǎng)絡(luò )仍舊中斷。因此在網(wǎng)絡(luò )設計之初，應全面考察鏈路條件，當網(wǎng)絡(luò )鏈路存在大量光傳輸設備時(shí)，也要盡量避免完全依賴(lài)探測的輔助手段，應優(yōu)先考慮采用動(dòng)態(tài)路由協(xié)議組網(wǎng)。以上問(wèn)題通過(guò)改為OSPF協(xié)議并聯(lián)動(dòng)BFD，得到了更合理的解決。3.2應用場(chǎng)景B某縣信息主干網(wǎng)絡(luò )如圖5所示。圖5中橫線(xiàn)上端為全省數據通信網(wǎng)廣域網(wǎng)，信息網(wǎng)絡(luò )為其中一個(gè)OAMIS的VPN業(yè)務(wù)；橫線(xiàn)下端為某縣級供電公司信息網(wǎng)絡(luò )。信息網(wǎng)絡(luò )與廣域網(wǎng)之間的2臺邊界路由器H3CSR1、H3CSR2，仍通過(guò)OSPF設置cost值來(lái)控制主備優(yōu)先級；均寫(xiě)入缺省路由指向上一級廣域網(wǎng)，其通過(guò)采用下發(fā)缺省路由的方式，將缺省路由通告到OSPF域。數據通信網(wǎng)CiscoR1、CiscoR2分別配置靜態(tài)路由指向下方2臺邊界H3CSR1、H3CSR2路由器。

　　4結語(yǔ)

　　信息網(wǎng)絡(luò )雙出口故障自動(dòng)倒換是保證信息網(wǎng)絡(luò )安全可靠運行的重要因素。而在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )的組網(wǎng)設計時(shí)，網(wǎng)絡(luò )工程師往往采用經(jīng)驗方法，忽視做全面的故障倒換測試。因此在網(wǎng)絡(luò )設計之初，應全面考察鏈路及設備條件，因地制宜。本文就企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò )雙出口自動(dòng)倒換遇到的實(shí)際問(wèn)題，引出了故障自動(dòng)探測的幾種策略并進(jìn)行了技術(shù)原理介紹。通過(guò)2個(gè)實(shí)際場(chǎng)景，舉例介紹了Track+NQA（IPSLA）+靜態(tài)路由在縣級信息網(wǎng)絡(luò )雙出口中的應用及如何巧妙地解決自動(dòng)倒換問(wèn)題。

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