隨著計(jì)算機(jī)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(yùn)營商們關(guān)注的焦點(diǎn)。高可用性是指路由器的不間斷運(yùn)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(jì)入手,，實(shí)現(xiàn)一個(gè)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(shí)例，探討如何通過高可用性模塊的設(shè)計(jì)保證網(wǎng)絡(luò)的高可靠性,，做到處理器故障不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的連通性,，更不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，從根本上解決數(shù)據(jù)中心的風(fēng)險(xiǎn)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(jì)算機(jī)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(gè)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(qiáng)壯,，另外在遇到更換硬件、系統(tǒng)升級(jí),、增加板卡和改變鏈路等網(wǎng)絡(luò)調(diào)整時(shí),，軟件要有能力保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)不受局部調(diào)整的影響，讓整個(gè)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(shí)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(shí)，由此產(chǎn)生的路由重新計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)范圍的路由更新會(huì)消耗掉處理資源,，并有可能出現(xiàn)黑洞或瞬時(shí)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(huì)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(cuò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,。采用硬件冗余與軟件容錯(cuò)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(cuò)熱備份方案,，并根據(jù)該方案設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高可用性模塊,。測試結(jié)果表明，采用該設(shè)計(jì)方案的主控軟件系統(tǒng)具有很好的容錯(cuò)性能和故障恢復(fù)能力，能夠滿足T比特路由器對(duì)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(cuò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 主控軟件容錯(cuò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的基本問題
　　基于容錯(cuò)需求的考慮,，當(dāng)主控系統(tǒng)出現(xiàn)軟硬件故障時(shí)路由器仍需要正常工作，故硬件配置采用1＋1冗余設(shè)計(jì),，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(cuò)系統(tǒng)。當(dāng)主用主控板發(fā)生故障,，系統(tǒng)自動(dòng)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(yùn)行,。當(dāng)主用模塊發(fā)生嚴(yán)重故障或主用復(fù)位時(shí),，將觸發(fā)自動(dòng)倒換方式，及時(shí)倒換到備用板,。這種1＋1冗余設(shè)計(jì)可擴(kuò)展到N＋1冗余設(shè)計(jì),。
　　整個(gè)切換過程對(duì)用戶透明，需要考慮的重點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)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(shí)現(xiàn)和故障監(jiān)測機(jī)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(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，因此正常工作中需要進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)，備用不能正常接替主用,。針對(duì)該問題,，在高可用性模塊的設(shè)計(jì)中，采用了一種雙工與熱備相結(jié)合的不完全熱備設(shè)計(jì),。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(xiàng)和轉(zhuǎn)發(fā)表表項(xiàng),。
　　雙工與熱備相結(jié)合的不完全設(shè)計(jì)是指：雙主控板上都運(yùn)行心跳探測程序用于故障探測，主用主控板上運(yùn)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(yùn)行部分重要應(yīng)用程序,。這些程序正常工作時(shí)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(jì)保證了路由器出現(xiàn)故障進(jìn)行切換時(shí)低耗時(shí),，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(fèi)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(shí)，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(yùn)行時(shí),，采用archivelog mode方式備份數(shù)據(jù)。有雙機(jī)鏡像和共享磁盤陣列兩種方案,。雙機(jī)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(diǎn)是簡單,、便宜，缺點(diǎn)是降低系統(tǒng)資源,。共享磁盤陣列方案為兩臺(tái)主機(jī)共用一個(gè)磁盤陣列,，優(yōu)點(diǎn)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(duì)于運(yùn)行在骨干網(wǎng)中的路由器，冷備份顯然不適用,。因?yàn)槁酚善鬟\(yùn)行過程中不可能定時(shí)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(shí)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(jī)鏡像和共享磁盤陣列方式。在本設(shè)計(jì)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(chǔ),，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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(shí)問題
　　路由器主控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，要能夠?qū)τ脩敉该鞯剡M(jìn)行主備切換,，就要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的無縫切換,，減少切換過程中的時(shí)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(duì)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(gè)流程正常工作不受主控故障的影響,，使網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行,。對(duì)于平滑切換，有兩點(diǎn)要求：一是切換時(shí),，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(shí)間內(nèi)完成備份數(shù)據(jù)的導(dǎo)入,。所謂規(guī)定的時(shí)間,，也包含在切換的總時(shí)間內(nèi)，切換時(shí)間＝發(fā)現(xiàn)故障時(shí)間＋啟用切換時(shí)間＋故障接管時(shí)間,。
　　(3)故障監(jiān)測機(jī)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(gè)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(bào)文交互自身的狀態(tài)數(shù)據(jù),，以識(shí)別主控的軟/硬件故障。路由器正常運(yùn)行時(shí),，主用和備用主控板之間定時(shí)發(fā)送keepalive報(bào)文進(jìn)行心跳探測,，報(bào)文內(nèi)容中包含了自身的狀態(tài)信息。備用主控板在定時(shí)器到期前未收到來自主用主控板的keepalive報(bào)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(dòng)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(huì)重新發(fā)送協(xié)商報(bào)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(jì)及實(shí)現(xiàn)
　　在主控軟件容錯(cuò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)制交互心跳數(shù)據(jù),，通過面向連接的TCP通信機(jī)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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