路由协议优雅重启技术白皮书.docx

路由协议优雅重启技术白皮书 前言本文主要介绍了路由协议的优雅重启技术，优雅重启技术是是在路由协议层面协助非间断转发（NSF）的实现，保证设备在NSF过程中控制平面能够优雅的重启，避免路由振荡。 目录1概述52技术简介62.1优雅重启62.2术语73关键技术83.1路由协议优雅重启83.2OSPF优雅重启93.3IS-IS优雅重启133.4BGP优雅重启174典型应用221 概述在用户的核心节点，对网络设备的可靠性提出了相当高的要求，网络设备的可用性要求达到99.999%，大致相当于设备在一年的连续运行中因各种原因造成设备故障的时间少于5分钟。不间断转发技术NSF（None Stop Forwarding）是一项重要的高可靠技术，它能够保证在路由控制层面出现故障后，转发层面仍然能够正确的转发报文。NSF要求设备的控制平面和转发平面是分离的。NSF技术要求控制层面的各相关网络协议，如路由协议OSPF、IS-IS、BGP，具备优雅重启（GR）能力。在转发平面进行NSF时，控制平面能够优雅的切换和重启，控制平面在重启期间，动态路由协议能够优雅的重启，使得邻居在优雅重启的期间感知不到设备的控制平面发生过故障，邻居的业务报文仍然通过重启设备转发。本节主要描述路由协议的优雅重启技术。2 技术简介2.1 优雅重启路由协议优雅重启是对路由协议交互流程的扩展，以便在控制层面支持设备的不间断转发。不间断转发是指在路由器控制层面发生故障的过程中，数据转发仍然能够不间断地正常执行。不间断转发要求设备的控制平面和转发平面是分离的。本文描述的路由协议优雅重启的环境为具有主控冗余的设备在主控板重启后，进行主备切换，新的主控板在接替旧的主控板时，为了不影响转发平面所进行的路由协议优雅重启过程。通常情况下，路由器故障后，其路由协议层面的邻居会检测到它们之间的邻居关系Down掉，过段时间再次Up，这个过程被称之为邻居关系震荡。这种邻居关系的震荡将最终导致路由震荡的出现，使得重启路由器在一段时间内出现路由黑洞或者导致邻居将数据业务绕开重启路由器从旁路转发，从而导致网络的可靠性大大降低。优雅重启（Graceful Restart）是一种旨在最小化路由协议重启影响的机制。通常情况下，当一种路由协议重新启动时，路由器的邻居就会检测到一个邻居关系的结束，造成邻居关系发生振荡，从而引起路由振荡的出现，并导致整个网络范围内的路由重新汇聚。由此发生的路由重新计算和整个网络范围内的路由更新会消耗大量处理资源和网络带宽，并有可能在瞬时转发环路中导致数据包丢失或者造成路由黑洞，这将大大的降低网络的可靠性。如果支持优雅重启，当一台路由器上的路由协议重启时，它的邻居结点不会立即引起整个网络范围内的路由重新会聚。这为重新启动的路由器提供了重新建立路由会话并下载最新路由信息的机会。路由协议优雅重启的主要目的是在路由协议收敛之前保持转发的不间断。设备必须是分布式构架，数据平面与控制平面分离，双主控互备，支持主备切换。在设备主备切换完成前，邻居不能被重置，设备必须要在邻居保持时间超时之前完成切换，转发应该在设备切换过程中保持不变。优雅重启与非间断转发所提供的转发平台稳定性相结合，为提高控制平面稳定性提供了一种新的方法。2.2 术语两个主要的概念： NSF：即None Stop Forwarding，利用了转发平面和控制平面处理的独立性，比如对分布式系统，控制平面在设备的主控板上完成，转发平面在设备的线卡上完成。控制层面发生故障的时候，在一段时间内，如果整个网络的拓扑都没有变化，则转发平面的转发表仍然是正确的，转发平面依然能够正确的转发数据。 GR： 即Graceful Restart，为了实现不间断转发，需要控制平面的路由协议做扩展以支持GR能力。 重启路由和邻居路由器经过协议扩展，达成共识，在重启发生时，邻居路由器知道重启路由器是在GR的流程，邻居路由器仍然保持和重启路由器的邻居关系，重启路由器从邻居路由器里快速学习拓扑信息、路由信息。路由器按照所具备的NSF/GR能力的不同划分： NSF-Capable 路由器：具备不间断转发能力的路由器，需要设备的转发平面和数据平面是分离的、具备双主控冗余备份、路由协议具备GR能力。 GR-Capable路由器：设备控制层面的路由协议具备GR能力的路由器。 GR-Aware路由器：能够感知到邻居发生GR的路由器，并能辅助邻居完成GR。GR-Capable路由器显然同时也是GR-Aware路由器。 GR-Unaware路由器：不能够感知到邻居发生GR的路由器，不能辅助邻居完成GR流程。 按照GR过程中路由器担当的角色不同分为： GR-Restarter路由器：发生主备切换，进行协议优雅重启的路由器。 GR-Helper路由器：发生主备切换路由器的邻居，协助重启路由器进行优雅重启的路由器。3 关键技术3.1 路由协议优雅重启双主控设备在发生主控切换后，由于新主控板在主备切换前不参与控制平面的处理，没有邻居信息，没有协议的数据库信息，在切换后需要重新建立邻居，重新同步数据库，重新学习路由。所以虽然保存了完整的转发表项，但切换后因为邻居的重新建立，重启路由器的邻居会断开和重启路由器之间的邻居关系，重新计算路由，还是会导致路由旁路或者路由黑洞，导致业务中断。比如和邻居之间是动态路由协议，和邻居之间的流量就会发生中断，这是因为控制平面会话重置的情况下，邻居的控制平面会重新计算，选择它认为合适的路径。以OSPF协议为例，新主控板在正常OSPF流程（非GR）里发出的第一个hello报文中由于没有原来邻居的Router ID，邻居收到这样的初始hello报文后，会把和发生主控切换设备的邻居关系置为初始状态，其拓扑关系发生改变，链路状态里不再有发生主控切换设备的邻接信息。这样触发路由重新计算后，所有原来经过切换设备的路由都被删除，如果计算结果有其他可选路径，流量会绕开发生主备切换的设备，如果没有可选路径，则需要等待OSPF邻居关系、数据库重新收敛，在收敛完成之前，邻居不会把流量发给发生主备切换的设备，形成路由黑洞。 因此不能完成非间断转发，导致客户的业务中断。为了完成NSF，需要各相关网络协议，如路由协议OSPF、ISIS、BGP等做扩展，具备优雅重启能力。优雅重启的流程主要需要完成如下几个功能：重启时，邻居路由器与重启路由器的邻居关系避免发生震荡（即邻居关系发生Down/UP）。邻居路由器需要感知重启路由器的GR，并协助重启路由器完成GR，认为其与重启路由器的邻居关系仍然是UP的。重启期间，邻居路由器仍然保持重启路由器的协议信息、拓扑信息，保持了重启路由器重启前的转发表。重启前需要经过重启路由器作为下一跳的在重启期间仍然用其作为下一跳，认为重启路由器仍然是可以正常转发报文。重启后，重启路由器需要尽快完成与邻居路由器的路由信息的同步。路由协议信息同步后，才更新本地路由信息，邻居路由器也才开始更新本地路由信息。目前具备GR能力的路由协议主要有IS-IS、OSPF、BGP，以及标签分发协议LDP，RSVP，BGP-MPLS。下面逐一介绍路由协议的GR。3.2 OSPF优雅重启RFC3623扩展了OSPF的GR流程。OSPF GR协议扩展：OSPF是典型的链路状态路由协议，同一个区域内的各台设备都保留了一份完全一致的链路状态数据库。在邻居交互的过程中会把自己的数据库同步发送到邻居。OSPF GR的主要扩展就是要让邻居感知到重启路由器正在发生GR并且尽快的收敛。1）为了把这个GR状态通知邻居，定义了一个叫做Grace-LSA的第9类Opaque LSA来实现OSPF-GR的过程,第9类Opaque LSA只在本地链路（子网）内传播，通过TLV编址方式进行信息承载。在Grace-LSA的TLVs中，主要包含了GR周期、发生GR的原因和GR Restarter的接口IP地址等信息。2）为了加快收敛速度，在GR过程中，Restarter不进行DR选举和LSA更新，完全接受邻居的DR/BDR，接收邻居的LSA，以便快速的达到数据库收敛。在优雅重启过程中，如果网络拓扑有变化，则应该自动从优雅重启切换到标准OSPF重启。如果网络拓扑没有变化，重启OSPF的路由器仍然保持转发表，则通过重启路由器转发报文是安全的，不会形成黑洞或者环路。当主备切换后，OSPF进入优雅重启流程，首先产生Grace-LSA（类型为link-local Opaque-LSA），告诉邻居，这台设备准备优雅重启，请邻居协助优雅重启过程。Grace-LSA通告了优雅重启的周期，即最大允许优雅重启的时间周期。邻居收到Grace-LSA后，如果是GR-Aware路由器，则重置与重启路由器的邻居死亡时间为优雅重启的周期。邻居认为重启的路由器是正常的，邻居状态仍然保持为FULL。如果邻居是GR-Unaware路由器，则不做任何处理，进入正常的OSPF流程。对于重启路由器，包括两个过程：进入和退出优雅重启。期间邻居扮演的角色为helper，包括进入和退出helper模式。Restarter流程：Restarter端即进行设备重启或者OSPF协议重启的设备，其主要过程是：产生Grace-LSA，告诉邻居重启设备正在优雅重启，以及优雅重启的时间间隔，也称优雅期间。优雅期间，邻居认为重启的路由设备是正常的，邻居状态保持为FULL。不产生类型15，7的LSA，对于收到的自己产生的LSA，不进行更新处理，只是接收。允许路由计算，但是不安装路由到系统转发表里。如果重启前是DR，则重启完成后仍然选自己为DR。接口up后，首先产生Grace-LSA通知邻居，如果接口上使用md5认证，接口上使用的加密序号从系统获取。延迟发送Hello报文，以便先收到邻居2-way状态的hello报文，进入2-way状态。某个邻接FULL后，也进行SPF计算，但是在整个系统退出GR前不安装路由到核心路由表。只要满足下面的任意一个条件，即退出优雅重启的状态：重新建立完所有的邻接关系；收到了和重启前不一致的Router-LSA（比如邻居产生的Router-LSA的link中不包含自己，说明邻居已经非正常退出了helper模式或者其他异常）；优雅重启时间到期。退出优雅重启时，重新生成Router-LSA，对DR，需要重新生成Network-LSA。重新运行SPF计算路由，产生Summary-LSA,NSSA-LSA,As-External-LSA，更新路由表。删除无效的LSAs，删除Grace-LSAs ，设置LSA的age为3600通告出去，通知邻居GR流程结束。Helper流程：具备GR-Aware的路由器在收到重启路由的Grace-LSA后，即进入helper流程。路由器设备R1要完成优雅重启，其邻居路由设备R2必须要协助其完成优雅重启，协助进行优雅重启的设备即为Helper端。Helper端在这个期间也称为进入了Helper模式。一般特性为：是基于每一个网段的，即已经是邻接关系的link；在重启期间，仍然通告该重启路由设备的链路；对于虚连接，仍然设置bit V。当Helper端路由设备收到邻居的Grace-LSA时会设置邻居重启标志，准备进入Helper模式，需要满足如下条件：检查R1（优雅重启Restarter路由设备）和R2（Helper路由设备）是否为FULL邻接；R1重启后，相关链路没有变化；本地配置是否为允许Helper模式；R2本身不在优雅重启Restarter状态。满足这些条件时，进入helper流程协助GR。当满足如下任意一个条件时，需要退出Helper模式：Grace-LSA已经被删除了；优雅周期已经到期了；链路数据库内容已经发生了改变。退出Helper模式时，重新选举该网段的DR，重新生成该网段的Router-LSAs，如果是DR,重新生成Network-LSA，如果是虚链路，重新产生该虚链路的Router-LSA，重新计算路由。OSPF GR 过程描述：图1 OSPF GR流程示意图如图1所示的OSPF GR流程示意图。1）R1路由器重启前，和R2按照正常的流程建立OSPF邻居，相互之间建立邻居、保持邻居、发布LSA、计算路由等过程和标准的流程完全一样。R1和R2都感知不到GR的流程，也不需要互相通告GR的能力。2）R1路由器主控板发生重启，系统发生主备切换。备份主控板上同步保留了重启前学习到的路由信息，继续指导转发。线卡不需要重启，仍然可以正常转发报文。3）R1原来的备份主控板成为新的激活的主控板。OSPF协议在新的主控板上重新启