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電力信息網(wǎng)絡故障自動探測策略論文
摘要：電力企業(yè)的信息網(wǎng)絡承載著日常生產(chǎn)辦公的重要業(yè)務，縣級公司至地市公司的信息主干網(wǎng)絡一般采用一主一備的雙通道模式，遇故障時通道自動倒換成為提高網(wǎng)絡可靠性的重要因素。為了解決公司信息網(wǎng)絡出現(xiàn)的故障發(fā)生時無法識別、倒換的問題，文章通過探尋原因，提出采用網(wǎng)絡質量分析（NetworkQualityAnalyzer，NQA）、雙向轉發(fā)檢測（BidirectionalForwardingDetection，BFD）、Track等故障探測策略來解決路由黑洞問題，實現(xiàn)了故障時的自動檢測，能夠預防由于單點故障造成的網(wǎng)絡中斷事件。
關鍵詞：電力信息網(wǎng)絡；雙通道；自動倒換；故障探測
引言
隨著電力行業(yè)由“企業(yè)信息化”向“信息化企業(yè)”的轉變，信息系統(tǒng)與企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營聯(lián)系更加緊密[1]。企業(yè)信息網(wǎng)絡作為生產(chǎn)辦公的重要網(wǎng)絡，龐大的用戶群體、廣泛的業(yè)務應用對其安全性、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)絡是與上級單位進行信息交互的唯一通道，是公司信息網(wǎng)絡的最核心部分。為提高網(wǎng)絡可靠性，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)的快速自動倒換成為亟需解決的問題[3]。當主用鏈路突然出現(xiàn)各種類型的故障時，網(wǎng)絡能夠識別并自動切換至備用鏈路，保證在運業(yè)務不發(fā)生中斷，以上這些是實現(xiàn)網(wǎng)絡結構健壯性的重要挑戰(zhàn)[4-6]�；谌粘＿\維經(jīng)驗及從對運營商、各企業(yè)網(wǎng)的調研中發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡鏈路故障時經(jīng)常發(fā)生無法自動倒換這一缺陷，且容易被忽視，對在運業(yè)務造成了嚴重影響。為了解決這一問題，文中對故障探測策略的分析和應用進行了探討。
1信息網(wǎng)絡概況及面臨的問題
該信息網(wǎng)絡為“口”字形雙鏈路組網(wǎng)（見圖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(shù)據(jù)通信網(wǎng)。信息網(wǎng)絡與廣域網(wǎng)之間的2臺邊界路由器H3CSR1、H3CSR2通過開放式最短路徑優(yōu)先（OpenShortestPathFirst，OSPF）協(xié)議設置cost值來控制主備優(yōu)先級；均寫入缺省路由指向上一級廣域網(wǎng)，其通過采用下發(fā)缺省路由的方式，將缺省路由通告到整個OSPF域中。對于IP網(wǎng)絡來說，Ethernet接口的故障檢測時延沒有保證，尤其是當網(wǎng)絡設備間以太鏈路經(jīng)過一些傳送設備時，鏈路的狀態(tài)有時無法反映網(wǎng)絡設備的狀態(tài)。靜態(tài)路由具有可靠、安全、穩(wěn)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)絡動態(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，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，因此無法倒換到備用通道。即導致所謂的“路由黑洞”問題[9]。根據(jù)信息網(wǎng)絡雙出口設計的不同，出現(xiàn)的問題也多種多樣，所需采用的探測策略也不同。下面針對雙通道自動倒換的需求，對幾種典型探測方法進行討論。
2幾種故障自動探測策略的技術特征
隨著IP網(wǎng)絡多業(yè)務的應用和高實時性需求，網(wǎng)絡對故障的反應速度成為衡量網(wǎng)絡可靠性的重要參數(shù)。傳統(tǒng)的慢hello機制的方法已暴露出明顯的缺陷，無法滿足當前IP業(yè)務應用的飛速發(fā)展。各種IP協(xié)議，如OSPF、中間系統(tǒng)到中間系統(tǒng)（IntermediateSystemtoIntermediateSystem，ISIS）對于故障的反應速度一般需要1s以上。網(wǎng)絡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，故障切換時間也需1s以上，對于電信級的網(wǎng)絡而言，難以達到50ms內切換的標準。接入網(wǎng)絡與核心網(wǎng)絡級聯(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)生時無法切換。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(xiàn)實網(wǎng)絡中存在的不足。2.1BFD技術雙向轉發(fā)檢測（BidirectionalForwardingDetection，BFD）是一種通用的協(xié)議，獨立于上層應用程序，無關通道類型，采用了一種簡單的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會話，不具備自己的發(fā)現(xiàn)機制[10]。通過發(fā)送、接收BFD會話的過程，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：BFD可以實現(xiàn)單跳檢測，也可以實現(xiàn)多跳檢測；BFD的檢測周期可以根據(jù)實際需要進行設置；BFD可以實現(xiàn)與多種上層協(xié)議的聯(lián)合使用。1）BFD與快速重路由（FastReroute，F(xiàn)RR）的聯(lián)合使用。在網(wǎng)絡規(guī)模較大或結構較為復雜的網(wǎng)絡，當發(fā)生故障時，路由的計算、收斂耗時較長。FRR是網(wǎng)絡中指定的備份路由，當故障發(fā)生時可以實現(xiàn)快速切換。BFD與FRR的聯(lián)合使用，更加進一步加快網(wǎng)絡的故障響應速度，大大縮短故障時間。2）BFD與內部網(wǎng)關協(xié)議（InteriorGatewayProtocol，IGP）聯(lián)合使用。ISIS的故障檢測時間大約為1s，OSPF的故障檢測時間大約為2s。而BFD的快速故障檢測速度與ISIS、OSPF的聯(lián)動，可以將故障檢測時間降至毫秒級。3）在網(wǎng)絡邊緣部署B(yǎng)FD。接入網(wǎng)絡與主干網(wǎng)絡的互聯(lián)一般通過2臺出口交換機或路由器設備，利用VRRP提高雙出口網(wǎng)絡的可靠性。而通過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，提前通過BFD聯(lián)動VRRP實現(xiàn)故障倒換[11-12]。當網(wǎng)絡出現(xiàn)故障時，BFD的檢測原理如圖3所示。1）BFD在會話中監(jiān)測到設備或鏈路故障；2）BFD鄰居會話被拆除；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)議鄰居關系被中止，具備條件時啟用備用路徑。2.2NQA技術網(wǎng)絡質量分析（NetworkQualityAnalyzer，NQA）適用于H3C等系列設備，可以實現(xiàn)對網(wǎng)絡丟包率、網(wǎng)絡時延、網(wǎng)絡抖動等性能的監(jiān)測。通過測試報文的周期發(fā)送，實現(xiàn)對網(wǎng)絡狀態(tài)和服務質量的精確測量，為用戶提供了反映網(wǎng)絡質量的系列參數(shù)。NQA可以實現(xiàn)與Track的聯(lián)動。NQA將自身監(jiān)測到的結果反饋給Track，觸發(fā)Track與應用程序的聯(lián)動，實現(xiàn)對網(wǎng)絡狀態(tài)變化的快速反應。NQA可以支持多種網(wǎng)絡測試類型，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種測試類型。以ICMP-echo的應用舉例：NQA根據(jù)設定的探測周期定期向目的地址發(fā)送ICMP-echorequest報文，通過對端回復的ICMP-echoreply報文的情況，計算得出響應時間、丟包率等關鍵參數(shù)，為用戶提供該網(wǎng)絡的服務質量情況，從而快速切換網(wǎng)絡。NQA目前實現(xiàn)了與多種應用程序的聯(lián)動，如VRRP、策略路由（PolicyBasedRouting，PBR）、靜態(tài)路由等。2.3IPSLA技術互聯(lián)網(wǎng)服務等級協(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是主動網(wǎng)絡測量手段，采用了一種動態(tài)流量監(jiān)測方法；可用的測量類型和測量次數(shù)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實際的人，通過ping、www、telnet等訪問某目的地址，并以此判斷網(wǎng)絡的運行狀況。可實現(xiàn)與CiscoTrack的聯(lián)動。通過Track，將IPSLA的探測結果影響到熱備份路由協(xié)議（HotStandbyRouterProtocol，HSRP）、PBR、浮動靜態(tài)路由等協(xié)議，實現(xiàn)故障的快速切換。2.4Track技術Track的用途是實現(xiàn)聯(lián)動功能（見圖4）。Track聯(lián)動功能是聯(lián)系起應用模塊和監(jiān)測模塊的橋梁。利用上文介紹的BFD、NQA、IPSLA等監(jiān)測模塊進行檢測，通過Track的橋梁作用，將檢測結果反饋給應用模塊，促使應用程序的進一步執(zhí)行。例如：在靜態(tài)路由、Track、NQA間建立聯(lián)動。當NQA監(jiān)測到靜態(tài)路由下一跳地址不可達時，立即觸發(fā)Track，將靜態(tài)路由條目置為無效。通過這樣的聯(lián)動，實現(xiàn)了靜態(tài)路由有效性的實時判斷，克服了靜態(tài)路由無動態(tài)反應能力的不足。
3故障檢測與保護的解決方案
3.1應用場景A針對上文所述的該公司信息網(wǎng)絡存在的問題，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，雖然G1/0/0端口up，但經(jīng)測試IP：10.b.b.b不可達，這時，SR1的缺省路由失效，實現(xiàn)倒換至備通道。雖然主通道故障時，數(shù)據(jù)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，在其老化時間內，仍舊向主通道返回數(shù)據(jù)，收發(fā)路徑不一致，網(wǎng)絡仍舊中斷。因此在網(wǎng)絡設計之初，應全面考察鏈路條件，當網(wǎng)絡鏈路存在大量光傳輸設備時，也要盡量避免完全依賴探測的輔助手段，應優(yōu)先考慮采用動態(tài)路由協(xié)議組網(wǎng)。以上問題通過改為OSPF協(xié)議并聯(lián)動BFD，得到了更合理的解決。3.2應用場景B某縣信息主干網(wǎng)絡如圖5所示。圖5中橫線上端為全省數(shù)據(jù)通信網(wǎng)廣域網(wǎng)，信息網(wǎng)絡為其中一個OAMIS的VPN業(yè)務；橫線下端為某縣級供電公司信息網(wǎng)絡。信息網(wǎng)絡與廣域網(wǎng)之間的2臺邊界路由器H3CSR1、H3CSR2，仍通過OSPF設置cost值來控制主備優(yōu)先級；均寫入缺省路由指向上一級廣域網(wǎng)，其通過采用下發(fā)缺省路由的方式，將缺省路由通告到OSPF域。數(shù)據(jù)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
信息網(wǎng)絡雙出口故障自動倒換是保證信息網(wǎng)絡安全可靠運行的重要因素。而在進行網(wǎng)絡的組網(wǎng)設計時，網(wǎng)絡工程師往往采用經(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)絡雙出口自動倒換遇到的實際問題，引出了故障自動探測的幾種策略并進行了技術原理介紹。通過2個實際場景，舉例介紹了Track+NQA（IPSLA）+靜態(tài)路由在縣級信息網(wǎng)絡雙出口中的應用及如何巧妙地解決自動倒換問題。
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