基于SPB的实时备份技术

徐梦琼,陈临强

(杭州电子科技大学 计算机学院,浙江 杭州 310018)

基于SPB的实时备份技术

徐梦琼,陈临强

(杭州电子科技大学 计算机学院,浙江 杭州 310018)

针对SPB协议网络中的分布式设备在发生故障时引起的用户数据转发中断的问题,文中采用NSR技术,将主控板上的SPB协议数据进行报文封装,利用高可靠性机制进行板间通信,实现实时数据备份。模拟实验表明,当主控板发生故障时,备用主控板升级为新主控板,恢复备份数据,不会引起用户数据转发中断。

SPB;分布式;不间断转发;NSR

当今网络中存在着大量分布式设备,该类设备一般配备两块主控板和多块接口板,将控制业务和转发业务严格分开。主控板负责设备的控制和管理平面业务,比如链路信息学习、路由计算等,而接口板则根据主控板的通知消息来维护转发表项,并根据该表项进行数据转发。控制与转发彼此独立的分布式设备将业务完全分离,各自进行处理。因此在该类设备结构上可以实现当主控板由于硬件或者软件发生故障而重启,或者要进行软件版本在线升级、协议重启等因素导致的重启时,备用主控板接替工作,而转发业务依旧可以根据表项进行不间断转发。文献[1]利用GR(Graceful Restart)平滑重启实现了OSPF(Open Shortest Path First)的不间断转发功能。GR技术在设备主控板发生重启时,通知周围也具有GR能力的设备维持邻接关系和路由信息不变,并协助本端进行数据恢复至重启前状态,期间接口板正常转发,实现不间断转发功能。但GR技术需要具有支持GR功能的周边设备配合才能使本端设备恢复数据,不仅独立性不够,而且应用场景也受到局限[2-4]。本文针对GR技术的缺陷,提出了一种新的不间断转发实时备份技术-NSR(Not-Stop Routing),并在SPB(Shortest Path Bridging)中得到了良好的应用。

1 SPB协议概述

SPB支持数据中心虚拟化后的大规模二层网络,其借鉴三层协议IS-IS(Intermediate System-to-Intermediate System,中间系统到中间系统)的思想,将其引入二层网络,将二层的简单、灵活与三层的稳定、高性能和可扩展性相结合。从而建立一个大型而扁平的无阻塞二层网络[5]。

SPB协议涉及控制和数据两个工作平面。数据平面基于控制平面正常运行情况下才能进行。SPB的数据平面就是对用户网络的数据信息在SPB骨干网络中进行转发,使其到达目的用户网络中。该工作就是将接收到的用户数据报文进行SPB协议封装[6-7]。

而对于SPB的控制平面就是生成用户数据转发的路径,从而指导SPB的数据平面工作。而本文的NSR技术是将SPB协议的静态配置数据和动态路由链路信息实时备份至分布式设备中的备板,从而提高SPB协议运行的容错性[8]。

图1 SPB协议骨干网络图

2 方法概述

NSR(Not-Stop Routing)技术,是一种分布式设备在主控板发生意外时,依旧能进行不间断数据转发的技

术。该技术核心利用实时备份思想,将主控板的控制数据实时备份至备用主控板上,使主、备两块板的数据始终保持一致。而当主控板发生故障,促使备用主控板升级为主控板期间进入NSR数据平滑阶段,将实时备份的数据恢复,使得数据转发不中断[9-10]。实时备份流程如图2所示。2.1 备份数据封装

由图2可以看到,支持NSR特性的应用进程使能该特性后,若需要备份的数据在运行过程中发生变化,如添加、删除、更新等,NSR就需要将该数据进行一定的格式封装,这样让备用主控板接收到数据消息后,能更好地进行数据解析,并正确的按类型进行备份。

图2 NSR实时备份流程图

备份数据根据TLV格式进行封装。TLV(Type-Length-Value),T代表数据类型,占1 Byte;Length代表封装数据信息的长度,也占1 Byte;Value就是代表封装数据信息。主控板将备份数据进行TLV格式封装以后,将其发送给备用主控板,备用主控板接收到消息后,进行TLV解析,当读取Length字节时,根据该字节的长度信息,读取Length长度的Value信息,并将该信息按照Type类型备份至备进程相应位置。在SPB的应用中,可以将SPB的控制数据分为以下几种类型:

(1)BK_DATA_SPB_CFG:SPB视图下的配置数据。

(2)BK_DATA_SPB_RUN:SPB的动态数据。

(3)BK_DATA_SPB_MSTP:SPB配合协议MSTP的域数据。

(4)BK_DATA_LSP_RUN:SPB的链路信息。

(5)BK_DATA_ADJ_RUN:SPB的邻居状态信息。

根据以上类型,进行SPB控制数据TLV封装。并将封装数据通过备份缓存发送至备用主控板上的备用SPB应用进程中进行数据实备。使用TLV封装格式,避免了预先分配数据字段长度,当实际需封装的数据信息量少而引起的带宽浪费,提高了板间通信的灵活性。

2.2 板间通信

板间通信是成功进行实时备份的重要机制,它是主控板与备用主控板之间通信的桥梁,没有该机制,NSR技术将无法实现。采用HA(High Available,高可靠性)机制,该机制是Linux Latch系列中的高可靠性解决方案,当主控板发生故障时,触发HA进行故障检测,通知备用主控板进行升级操作,从而进行主备倒换。根据这一原理,进行NSR实时备份时,先将备份数据存储在缓存中,并主动触发HA机制,使HA读取缓存中的数据,然后发送给备用主控板,完成板间通信。而由于HA是一个独立的系统进程,主控板将数据的实时备份委托给HA进程,使SPB实时备份过程在后台操作,这样SPB进程得到空闲,继续处理SPB的控制业务。从而提高了业务处理的吞吐量。

3 NSR数据平滑

当主控板发生故障意外时,需进行主备倒换,备用主控板的应用进程需要进入NSR,进行数据平滑恢复,使得备用主控板升级成为主控板后,无缝接替原先主控板进行业控制务处理工作。

当HA检测到主控板故障后,选取一块备用主控板为新主控板。此时,原主控板进行降级操作,清除所有应用进程中的控制数据,降为备用主控板,等待新主控板的实时备份数据。而新主控板进行升级操作,数据平滑,将业务进程调用至运行态,从而升级成为主控板,继续处理控制平面的业务。而在升级过程中,新主进程需进入NSR数据平滑阶段,按照备份数据信息主次顺序进行阶段性恢复,直到所有备份信息完全恢复,达到平稳状态。根据实际业务应用进行NSR阶段划分。本文根据SPB的应用实例,将NSR数据平滑阶段分为7个阶段:

(1)NSR初始阶段。唤醒备用进程,即唤醒备SPB,使其进入运行状态。恢复SPB视图下的配置数据信息和动态数据,然后恢复SPB邻居接口及其相关配置数据,同时恢复邻居状态信息,从而恢复SPB邻居信息。根据恢复出的信息生成本端链路信息,并挂载在链路信息变化链表下。

(2)NSR数据平滑阶段。分析备份数据中的链路信息,根据备份中链路信息的增删改标记,将其做出对应增删改操作,使其恢复至最终链路信息。

(3)NSR系统平稳阶段。根据(1)中的变化链表下的链路信息与(2)中平滑的备份链路信息,重新组装成包括本地链路信息和非本地链路信息的整网链路信息。

(4)NSR链路报文生成与清理阶段。将(3)中重新组装的链路信息,生成报文,并删除备份连表信息和变化链表信息。生成的报文将在NSR平滑结束后发送至周围邻居设备。

(5)NSR第一次路由计算阶段。根据(3)中的恢复的链路信息,重新进行路由计算,得到最新的转发路径。

(6)NSR表项同步阶段。与周边设备进行表项同步,然后进行表项下发。

(7)NSR平滑结束。平滑结束,SPB继续工作,发送链路报文,同时将重新恢复的数据实时备份至新备用主控板上。

根据以上7个平滑阶段,NSR数据恢复不需要周围设备的协助,就能较好地将SPB控制信息进行恢复。NSR平滑数据,保证了网络设备在发生故障重启时能进行不间断的数据转发。而其数据平滑阶段可以根据实际应用进行划分,结合SPB协议功能数据,将其划分为7个等级。

4 NSR在SPB应用的实验结果

NSR技术主要结合了SPB协议进行阐述,并在s12510X设备上,结合TestCenter测试仪进行模拟打流,验证了NSR在发生故障情况下的不间断转发功能。模拟实验结果对比显示:不使能NSR特性的SPB进行主备倒换,TestCenter测试仪显示流量发生中断,如图3和图4所示;而使能NSR的SPB在进行主备倒换时,流量转发不发生中断,如图5和图6所示。

图3 非NSR-SPB网络主备倒换发生断流

图4 非NSR-SPB网络主备倒换结束

图5 NSR-SPB网络主备倒换不发生断流

图6 NSR-SPB网络主备倒换结束

5 结束语

本文提出了一种新的流量转发不间断技术,即NSR技术,并在SPB协议中进行了模拟验证。NSR技术将分布式设备中主控板上的SPB控制数据进行TLV格式封装,并利用HA机制实时备份至备用主控板上。当主控板发生故障时,备用主控板升级进入NSR数据平滑阶段,用7个平滑阶段将SPB数据进行平滑恢复,实现不间断转发功能。NSR技术不仅可以在SPB中得到应用,而且还可以结合具体协议应用于其他协议中。

[1] 叶青.基于OSPF的不间断转发语节能技术的研究与实现[D].北京:北京交通大学,2011.

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[3] Fedyk D,Alcatel-Lucent P.Ashwood-smith IS-IS extensions supporting IEEE 802.1aq shortest path bridging[R].New York:IEFT RFC 6329,2012.

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[5] 王建刚,顾国昌,芦东昕.高可靠性通信设备主备倒换软件的设计[J].电信科学,2003(11):19-22.

[6] 华三通信技术有限公司.IP领航[M].杭州:华三通信技术有限公司,2012.

[7] 葛文龙.基于STP的网络环路解决方法研究[J].计算机光盘软件与应用,2013(20):103-104.

[8] 章朵朵,许雄飞.热备份路由协议技术[J].江苏通信技术,2002(4):33-37.

[9] Chang Yoonsoon,Samuel A Ajila.Design and implementation of experimental SPB network simulator on NS-3[C].Canadian:26thIEEE Canadian Conference of Electrical And Computer Engineering(CCECE),2013.

[10]Zhang Jingchuan,Xie Jihu,Liu Chang.Design and Implementation of a high available distributed measurement and control system for spacecraft vacuum thermal test[C].Beijing,China:2013 International Conference on Computer,Networks and Communication Engineering(ICCNCE 2013),2013.

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

徐梦琼(1989—),女,硕士研究生。研究方向:通信技术。E-mail:1004145681@qq.com

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.04.009

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