（通信与信息系统专业论文）电信级以太网中基于bfd的链路检测机制及实现.pdf

武汉邮电科学研究院硕十论文 摘要 可靠性及链路故障自愈能力是电信级以太网需要解决的首要问题，传统的保护 机制如生成树协议难以满足电信运营商对实时业务完善的要求，特别是5 0 m s 的网 络故障自愈能力。对于传统以太网设备而言，当设备出现故障时，通常故障的检测 时间过长，导致业务中断。i e t f 提出了b f d 协议，从链路级满足电信级业务运营 的基本要求。 本课题从以太网保护时间模型出发，对该模型进行了分析。提高故障检测、信 息收集和故障修复这三个阶段中任一阶段的速度，都可以提高整个网络的收敛速度， 然而故障检测是最为复杂的一个过程。为了加快故障检测的速度，保证设备之间良 好的互通性，b f d 成为电信级以太网中广泛使用的协议。 本文对b f d 协议进行了深入的研究，分析了其工作原理，其中包括：b f d 数 据包的报文结构、操作模式、状态机以及会话的建立过程。对协议深入研究的基础 上，利用v x w o r k s 嵌入式软件平台，采用模块化的软件设方法进行了b f d 协议的 研究实现包括：接口模块、配置命令管理模块以及b f d 会话模块，在具体的网络环 境中进行了实现，并对其进行功能测试。 作为本研究的延伸，将b f d 与v r r p 协议相结合，并实现b f d 在v r r p 协议 中的应用，主要有两种应用场景：监测v r r p 对等体之间的状态以及监测v r r p 与 上联接口之间的状态。在实现以上两种场景后，对b f d 与v r r p 的结合进行了测 试，实验结果表明，使用b f d 协议后，保护倒换时间由以前的3 s 降低到了毫秒级。 此外，还将b f d 协议扩展到以太网线性保护和以太环网保护中，与o a m 故障监测 机制相结合，实现故障的快速定位和恢复，有效的提高p 网络的可靠性。 关键词：b f d ，高可靠性，故障检测，v r r p 武汉邮电科学研究院硕十论文 a b s t r a c t r e l i a b i l i t ya n dt h el i n kf a i l u r es e l f - h e a lc a p a b i l i t ya l et h ek e yi s s u e sw h i c hn e e dt ob e s o l v e db yt h ec a r r i e re t h e r n e t ( c e ) t h et r a d i t i o n a lp r o t e c tm e c h a n i s m s ，t a k i n gs t pa sa l l e x a m p l e ，a r eh a r dt os a t i s f yt h eo p e r a t o r s r e q u i r e m e n to ft h er e a lt i m eo p e r a t i o n ，e s p e c i a l l y t h es u b 一5 0 m sn e t w o r kf a i l u r es e l f - h e a lc a p a b i l i t y f o rt h el e g a c ye t h e r n e te q u i p m e n t ，i ft h e e q u i p m e n tw a sf a i l u r e ，t h et i m eo ff a u l td e t e c t i n gw a so f t e nt o ol o n g ，w h i c hl e dt o i n t e r r u p tt h eb u s i n e s s s ot h ei e t fp r e s e n t e dt h eb f dp r o t o c o l ，a n di ta c h i e v e dt h eb a s a l o p e r a t i n gr e q u i r e m e n to fc a r r i e r - g r a d et r a f f i ci nt h el i n k g r a d e t h i sp a p e rh a sa n a l y z e dt h ep r o t e c t i n gt i m ep a r a m e t e r si ne t h e r n e tm o d e l i ti s o b v i o u st h a tr e d u c i n gt h et i m eo ff a u l td e t e c t i n g ，i n f o r m a t i o nc o l l e c t i o na n df a u l t r e s t o r a t i o nc a ni m p r o v et h ec o n v e r g e n c et i m eo ft h en e t w o r k s h o w e v e rt h ef a u l td e t e c t i n g i st h em o s tc o m p l i c a t e dp r o c e s s b f dc a l lm a k et h ef a u l td e t e c t i n gv e r yf a s ta n dr e a l i z et h e i n t e r a c t i o na m o n g e q u i p m e n t s s oi ti st h ew i d e l yu s e dp r o t o c o li nt h ec a r r i e re t h e m e t b f dp r o t o c o li sr e s e a r c h e di nd e t a i li nt h ep a p e r ，i n c l u d i n gd a t as t r u c t u r eo ft h e d a t a g r a m ，o p e r a t i o nm o d e s ，s t a t em a c h i n ea n dt h ep r o c e s so fe s t a b l i s h i n gs e s s i o n i ti s d i v i d e di n t ot h r e em o d u l e sw h i c ha r er e a l i z e do nt h ee m b e d d e ds o f t w a r ep l a t f o r mb a s e do n v x w o r k s ，s u c ha si n t e r f a c em o d u l e ，c o n f i g u r a t i o nm a n a g e m e n tm o d u l ea n db f ds e s s i o n m o d u l e t h ep r o t o c o li si m p l e m e n t e di nt h en e t w o r ke n v i r o n m e n ta n dp a s s e st h ef u n c t i o n t e s t s a tl a s t ，t h i sp a p e rc o m b i n e sb f da n dv r r p , a n dr e a l i z e st h ea p p l i c a t i o no fb f di n v r r p t w om a j o rs c e n a r i o sa r ef u l l yd i s c u s s e d ：d e t e c t i n gt h es t a t e so fv r r p p e e r sa n d d e t e c t i n gt h es t a t e sb e t w e e nv r r pa n di t sr e l a t i o n st ou p p e ri n t e r f a c e s t h er e s u l t s g a i n e db ye x p e r i m e n t ss h o wt h a tp r o t e c t i o ns w i t c h i n gt i m er e d u c e st om i l l i s e c o n dl e v e l f r o ms e v e r a ls e c o n d sw i t hb f di n t r o d u c e d b e s i d e s ，b f dc a l lb ee x t e n d e di n t h e e t h e m e tl i n e a rp r o t e c t i o na n de t h e r n e tr i n gp r o t e c t i o n ，w h i c hs h o u l dc o o p e r a t ew i t ht h e o a mf a u l td e t e c t i o nm e c h a n i s mt or e a l i z ef a s tl o c a t i o na n dr e s t o r i n go ff a i l u r e c o n s e q u e n t l y , i tc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo f i pn e t w o r k s 武汉邮电科学研究院硕+ 论文 k e yw o r d s ：b f d ，h i g h r e l i a b i l i t y ，f a i l u r ed e t e c t i o n ，v r r p 第1 章绪论 随着网络设备处理技术的快速发展和网络带宽的增加，规划一个在无故障情况下 适应某种特定业务需求并运行良好的网络，并不是一件很复杂的事。但是，网络故障 总是无法避免的。因此，如何在网络出现故障时，保证承载的业务不受影响，已成为 现在多业务承载网不可回避的研究课题，这也就是电信级以太网技术需要关注的问 题。全球主流设备供应商都在寻求在各种网络故障情况下如何保证业务的j 下常运行。 本章提出了该课题的研究背景意义，并对现有的故障检测机制进行了简要的介绍。 1 1 课题的研究背景和意义 目前，通常使用硬件检测机制来检测故障。但是硬件参数的信号不是全部都直 水 接发往上层协议。如果不存在硬件检测机制( 如以太网) ，或者硬件信号不能到达上 层协议，则这些协议只能依赖自己的机制检测故障，传统的以太环网保护依赖生成 树协议进行故障恢复，导致检测时间过长；而对于三层的控制协议来说，利用现有 的故障检测机制来检测链路，其可靠性也还是不够高的，如o s p f 需要长达2 秒的 检测时间，i s i s 需要长达1 秒的检测时间，等等对于某些实时业务来说时间太长， 会导致业务的中断，电信运营级网络无法忍受不能满足运营网络的快速故障恢复的 需要； 国内外对以太网的可靠性展开了大量的研究，如g 8 0 3 2 和r f c3 6 1 9 分别定义 了以太环网保护倒换技术和以太网自动保护倒换技术( e a p s ) 。由g 8 0 3 2 和r p c 3 6 1 9 引出了一系列的保护倒换技术，这些技术都各有其优缺点，不同的设备厂商进 行了不同的实现，导致互通无法实现。为了进一步提高网络的可靠性，在链路级i e t f 又研究了双向链路检测机制( b i d i r e c t i o n a lf o r w a r d i n gd e t e c t i o n ，b f d ) ，从而 获得了广泛的应用。如：在o s p f 中应用到b f d 协议、在两节点间跨越多个网络节 点的路径上应用b f d 协议、在i p v 4 i p v 6 的单跳环境中应用b f d 协议、在v r r p 协议中应用b f d 协议、以及在以太网环网保护和线性保护中b f d 的应用等。 b f d 独立于其他协议并简单高效，在很多方面，它与那些路由协议的邻居检测 部分相似，目前广泛应用在多业务承载网的故障检测之中。b f d 能够在任何两个通 武汉邮电科学研究院硕十论文 信实体之间的任何通道内进行传送并藉此检测该通道是否f 常。b f d 的主要目标是 提供一种低丌销，高速度的故障检测机制，用于两点间转发路径上的故障检测；其 另一个目标是提供一个统一的检测机制，可以用于任意媒质，任意协议层，可适应 大范围的检测时间和开销。 1 2 电信级以太网保护时间的相关分析 1 2 1 以太网保护时间模型及分析 根据n u t g s 0 8 1 和m e f 2 的定义，网络保护的时间模型 1 , 2 7 1 如图1 1 所示。该 模型由两个关键参数组成：一是事件发生时刻；二是事件发生时刻之间的间隔或者 持续时间。 。 故障 发生 时刻 故障 检测 时刻 切换 开始 时刻 网络 恢复 时刻 业务 恢复 时刻 时问轴 - 卜- - - - 卜。 故障检测时问保持时间 网络切换时问 业务恢复时间 图1 1 保护时间参考模型 通过图1 1 的保护时间参考模型，可以分析出，网络的收敛过程一般可以分为 以下几个单独的阶段： 1 故障检测：网络设备检测并响应自己或对等体故障的速度。 2 信息收集：向网络上其他设备通告故障的速度。 3 故障修复：网络上的设备( 已经知道故障信息) 计算替代路径的速度。 通过提高以上任何一阶段的速度，都可以提高整个网络收敛速度，从而确保保 2 武汉邮| 乜科学研究院硕十论文 护倒换时间达到电信级的5 0 m s 要求。在上述三个阶段中，故障检测是最为复杂的， 并且存在着很多不同的检测机制： 1 不同的路由协议使用不同的方法和定时器检测路由对等体的丢失。 2 根据物理媒质和2 层封装的不同，链路层故障检测时间变化很大。 3 中间设备( 如以太网交换机) 能够屏蔽路由对等体间的链路故障。 1 2 2 以太网保护对故障恢复时间的需求 通常情况下，故障包括失效故障和劣化覆盖两种。前者主要是指链路、接口和 结点故障导致的流量断开：后者指由于误码、信号不佳导致的信号质量劣化。对于 失效故障，通常不用设置保持时间，而对于劣化故障则需要考虑保持时间。 m e f 对于保护的时间需求定义分级标准，主要很成了一下四类： 1 s u b 5 0 m s 恢复时间 2 s u b - 2 0 0 m s 恢复时间 子j 3 s u b 2 s 恢复时间 4 s u b 5 s 恢复时间 电信级以太网技术作为一个网络运营技术，对业务的保护需要达到5 0 m s 的自 愈时间。部分实时业务( 如语言业务) 在1 5 0 m s 2 0 0 m s 故障恢复中就能基本保障用 户无感知。基于t c p 的应用大多可以容忍5 s 以内的自愈时间。因此，m e f 对于以 下项目都进行了明确要求，从而规范电信级保护与普通保护的差劓2 】： 1 故障类型 2 劣化故障的条件门限 3 传送层保护机制的互操作 4 保护控制机制应包含的参数：故障保持时间、恢复模式无法恢复模式、恢 复时间等待恢复时间 5 保护的操作模式：手动倒换、强制倒换以及锁定 6 双向倒换 7 健壮性和后向兼容性 8 q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e 服务质量) 和关联接口参数，如对于以太环网保护 中对于单环中的单点失效和链路故障恢复应小于5 0 m s 。 3 武汉邮电科学研究院硕十论文 1 3 现有的可靠性技术介绍 综合当前各种可靠性技术，可以将其分为三个类型：设备级可靠性技术、链路级 可靠性技术、网络级可靠性技术。 一 1 设备级可靠性技术 它主要包括关键部件冗余、在线升级设计、集中控制和分布式转发、n s f ( n o n s t o p f o r w a r d i n g ，不间断转发) 、g r ( g r a c e f u lr e s t a r t ，优雅重启) 等。 ，2 链路级可靠性技术 它主要包括b f d ( b i d i r e c t i o n a lf o r w a r d i n gd e t e c t i o n ，双向转发检测) 、m p l s o a m 、端口t r u n k 、链路双归、环网保护等技术。 奠网络就可靠性技术 它主要包括v r r p ( v i r t u a lr o u t e rr e d u n d a n c yp r o t o c o l 虚拟路由器冗余协议) 、 i g p ( i n t e r n e t g a t e w a yp r o t o c o l 内部网关协议) 快速收敛、i p 快速重路由( f a s t r e r o u t e ，f r r ) 、l d p ( l a b e ld i s t r i b u t i o np r o t o c o l 标签分配协议) f r r 、t e ( t r a f f i c e n g i n e e r i n g 流量工程)f r r 、v p n ( v i r t u a lp r i v a t en e t w o r k 虚拟专用网络)f r r 等。 1 4 本文研究内容及文档结构 针对以上的分类，考虑到篇幅的限制，本为主要研究电信级以太网的链路级可靠 性。基于现有的技术，本文主要实现在电信级以太网中基于b f d 的链路检测机制，并 将其应用在v r r p 中。在v r r p 中使用b f d 协议，可以大大缩短v r r p 的保护倒换时间，实 现小于5 0 m s 的倒换。此外，还将b f d 扩展到了以太网环网以及线性保护中，在使用o a m 故障检测机制的同时使用b f d ，从而缩短o a m 在进行故障检测时的时间。全文内容安排 如下： 第一章为绪论部分，该课题研究的背景及意义，并分析了电信级以太网保护的时 间模型以及故障检测的时间要求。最后对现有可靠性技术进行了简要的描述。 第二章介绍了b f d 的检测机制，包括其工作原理以及工作特点，并将其与别的故 障检测机制进行了比较，分析了别的故障检测机制存在的缺点。 第三章为协议实现以及应用实现部分，描述了b f d 协议的总体设计框架，并对各 4 武汉邮电科学研究院硕十论文 个模块的流程进行了讲解，以及通过软件将其实现。在实现了b f d 协议自身功能的情 况下，将其应用在了v r r p 协议中，实现在v r r p 协议中可以进行快速主备倒换。 第四章介绍了对b f d 协议功能的测试方案和b f d 协议在v r r p 协议中应用的功能测 试方案，并进行了系统性的功能测试，以及数据分析i 第五章对b f d 协议的扩展应用做了简要的说明，包括其在以太网坏网保护和以太 网线性保护中的应用，以及b f d 协议与其他控制协议的联合使用( 如i s i s 、o s p f 等) 。 第六章为结论与展望。总结全文，并对该课题进行拓展，将其进一步优化以及应 用。 “一 5 武汉邮电科学研究院硕十论文 第2 章b f d 协议介绍 b f d 是一个简单高速独立的“h e l l o ”协议，在很多方面，它与那些路由协议的邻 居检测部分相似。一对系统在它们之间的所建立会话的通道上周期性的发送检测报 文，若该系统在所设定的时间范围内没有收到邻居的检测报文，则认为在这条到相 邻系统的双向数据路径的某个部分发生了故障。 b f d 解决了以前由于检测时间很长而导致的大量数据丢失的情况，并且解决了 不运行路由协议的节点检测链路的状态。b f d 能够在系统之间的任何类型通道上进 行故障检测，可以用于检测以太网、多协议标签交换路径、普通路由封装以及i p s e c 隧道在内的多种类型的链路状态。 本章描述了b f d 协议的基本原理，包括其报文格式、操作模式、状态机等等。 在接下来的部分中，对b f d 的优缺点进行了说明，并简要介绍其他的故障检测机制 存在的问题及缺陷。 2 1 b f d 协议的工作原理 2 1 1 协议概述 b f d 协议在很多方面与路由协议的h e l l o 协议类似。两个结点周期性向对方发 送b f d 消息，一段时间内没有收到对方的b f d 消息后，就认为与对方之间的路径 发生故障。在某些情况下，两个节点可以协商不发送周期性b f d 消息以减少丌销。 b f d 协议用于检测一个节点与转发平面下一跳节点问的通信故障。如果节点实 现了控制转发分离，则b f d 主要运行在转发平面上。这不仅使得b f d 与转发平面 更加紧密，而且将b f d 和路由协议分离，从而在平稳重启机制中也可以使用b f d 。 b f d 运行在两个节点间转发的数据协议之上( 如，+ 节点间执行i p v 4 转发，则b f d 采用i p v 4 封装，等等) 。b f d 包的转发采用单播点到点模式，它可以在一个设备的 多个层次上运行，而特定的b f d 会话操作与其所在的封装相关。 在b f d 的操作中，当两个节点建立了双向b f d 通信时，则认为节点问路径可 用( 当然不排除使用单向链路) 当两个节点间存在多条通信路径以及多种数据协议 时，需要为每一数据协议建立单独的b f d 会话。每一b f d 节点估算自己发送和接 6 武汉邮l 乜科学研究院硕十论文 收b f d 包的速度，以便与邻居进行协商达成一致。这个估计速度可以实时更新以适 应某种特别的情况。 可以将b f d 看作一个简单服务：b f d 提供的原始服务包括会话创建、删除、 修改( 需要显示指定目的地址和其他必要参数) ；向其客户提供一个信号表明b f d 会话建立或关闭( 相当于l i n ku p ，l i n kd o w n 通告) 。 ， 2 1 2 协议报文结构 b f d 的发送的检测报文是u d p 报文【3 1 。控制报文格式如图2 1 所示： 版本1 诊断码 s t apf c i d l 蚪检测时间倍数 长度 本地标识符 聍 远端标识符 最小发送时间间隔 一 最小接收时间间隔 最d x e c h o 接收时间间隔 图2 1b f 0 数据包格式 可选的认证部分格式如图2 2 所示： 版本( v e f s ) ：3 比特 图2 2b f d 数据包可选认证部分格式 7 武汉邮电科学研究院硕十论文 。协议版本号，现在版本为1 。 诊断码( d i a g ) ：5 比特 表明上一次会话状态变为关闭管理关闭的原因( 是本地认为的原因) ，取值如 下： 0 一无 1 一控制检测定时器超时 2 e c h o 功能失败 3 一邻居通过会话关闭 4 一转发平面重启 5 一路径关闭 6 一串联路径关闭 7 管理关闭 8 一反向串联路径关闭 9 3 l 一保留、 远端节点能够更加此字段判断前次会话故障的原因。 状态( s t a ) ：2 比特 发送节点保存的当前b f d 会话状态： 0 一管理关闭 1 一关闭 2 一初始化 3 一建立 轮询标志( p ) ：l 比特 如果此标志为1 ，表明发送节点请求检查连接状态或参数变化，并希望收到结 束标志符f 比特为l 的应答。如果为0 ，表明发送节点不请求任何检查。 结束标志( f ) ：l 比特 如果此标志为l ，表明此消息是发送节点对轮询标志符p 为l 的b f d 包的应答。 如果为0 ，表明不是发送节点对轮询标志符p 为1 的b f d 包的应答。 控制平面无关( c ) ：1 比特 8 武汉邮电科学研究院硕十论文 如果此标志为1 ，则发送节点的b f d 实现与控制平面分离，即b f d 在转发平 面上实现，即使控制平面出现故障，b f d 也能继续工作。如果此标志为0 ，则发送 节点的b f d 实现与控制平面在一起。 在本文的b f d 协议实现中不考虑该字段，直接赋值为o 。 认证标志( a ) ：1 比特 j 0 该会话不需要认证 。 1 一表明存在认证部分，会话需要认证。 。 按需标志( d ) ：1 比特 。 如果此标志为1 ，这发送节点工作在按需模式( 即节点希望执行按需模式操作， 要求邻接停止发送b f d 控制包) 。如果为0 ，发送节点未工作在按需模式。 多点标志( m ) ：1 比特 为b f d 的点到多点扩展预留、发送和介绍都必须为0 检测时间倍数( d e t e c tm u l t ) ：l 字节 检测时间倍数。在异步模式中，检测时间= 协商后的传输间隔检测时间倍 数。 长度( 1 e n g t h ) ：1 字节 控制包总字节数。该长度的最小值为2 4 本地标识符( m yd i s c r i m i n a t o r ) ：4 字节 发送节点生成的唯一的非零标识，用于同一对节点间区分不同的b f d 会话。 远端标识符( y o u rd i s c r i m i n a t o r ) ：4 字节 从邻居节点收到的区分符。发包时此字段设置为邻居b f d 控制包中的本地标 识符，如果未知，则设置为0 。 最小发送间隔( d e s i r e dm i nt xi n t e r v a l ) ：4 字节 节点希望发送b f d 控制消息的最下间隔时间，单位为微秒。不能设为0 。 最小接收间隔( r e q u i r e dm i nr xi n t e r v a l ) ：4 字节 节点所能支持的b f d 消息最小就诶手间隔时间，单位为微秒。若为0 表示节 点不希望邻接发送周期性的控制包。 最小e c h o 接收间隔( r e q u i r e dm i ne c h od ( i n t e r v a l ) ：4 字节 9 武汉邮电科学研究院硕十论文 节点能支持的最小e c h o 介绍间隔时间，单位为微秒。若为0 表示节点不支持 接收e c h o 包。 认证类型( a u t ht y p e ) ：1 字节 0 保留 一 。 1 _ 简单密码 2 一m d 5 3 一m e t i c u l o u sm d 5 4 s h a l 5 m e t i c u l o u ss h a l 5 5 保留 认证长度( a u t hl e n ) ：l 字节 认证部分总字节数，包含认证类型和长度字段自身。 2 1 3 协议操作模式 b f d 具有两种操作模式【3 1 ，另外还有一个附加功能，可以用于两种操作模式。 第一种操作模式称为异步( a s y n c h r o n o u s ) 模式。此模式下，节点相互发送周 期性的b f d 控制包，如果在一段时间内没有收到邻居的包，则通过会话关闭。 第二种操作模式称为按需( d e m a n d ) 模式。此模式中，b f d 假定节点有其他 的方法来检查与邻居的连接。在b f d 会话建立后，节点可以要求邻居停止发送b f d 控制包，如果节点需要使用b f d 消息来检查连接，则可以交换少量的b f d 控制包。 按需模式可在两个方向上独立执行或同时执行。 与以上两个模式相关的附加功能是e c h o 功能。使用e c h o 功能时，节点向邻居 发送一系列b f de c h o 包，邻居将这些包反射回发送节点。如果一段时间内没有收 到回应的e c h o ( 或者丢失了大量的e c h o 包) ，则通过会话关闭。e c h o 功能可用于异 步模式或按需模式。使用e c h o 时，e c h o 包用于检测故障，因此可减少b f d 控制包 的速度( 异步模式) 或完全停止发送b f d 控制包( 按需模式) 。 纯粹的异步模式相对e c h o 有一个优势：为达到同样的检测时间，异步模式需要 的b f d 控制包数目是e c h o 包数目的一半。如果因为某种原因不能使用e c h o 功能， 也需要使用异步模式。 1 0 武汉邮屯科学研究院硕十论文 e c h o 功能的优点是，它只检测邻居上的转发路径。这可以减小往返时间抖动， 可以实现更快的检测时问，并可检测一些其他方法无法检测的故障。 e c h o 功能可在两个方向上单独使能。在一个特定方向上使能e c h o 功能的前提 条件是：执行反射e c h o 操作的节点表明自己允许运行e c h o 功能，而发送e c h o 的节 点表明自己希望执行e c h o 功能。 一 2 1 4 协议状态机 b f d 检测有三个正常状态，两个用于建立会话( 烈i t 和u p ) ，一个用于关闭会 话( d o w n ) 。它还有一个管理关闭状态，可以强制关闭一个b f d 会话。b f d 协议 状态机在b f d 会话建立和关闭时都使用三次握手机制，这可以保障会话双方都知道 状态的变化。 b f d 节点在b f d 控制包的状态字段中设置本地会话状态，从邻居收到的状态 和本地状态共同决定b f d 状态机操作。 关闭：b f d 会话已经关闭或刚刚建立。 初始化：本地节点与邻居进行通信，本地节点希望建立b f d 会话，而邻居还未 做应答。直到以下事件出现： 1 收到邻居的控制包，状态为初始化或建立，此时将b f d 会话状态改为建立。 2 检测时间超时，表明与邻居的通信丢失，此时将b f d 会话状态改为关闭。 建立：b f d 会话成功建立，两节点间的连接工作正常。 “ 管理关闭：b f d 会话将会被人工关闭。导致b f d 会话邻居进入关闭状态，并 一直保存该状态，直到本地离开管理关闭状态。管理关闭与转发路径可用性无关。 武汉邮电科学研究院硕十论文 图2 3 状态转换图 其中：i n i t ：初始化状态； up ： 建立状态； d o w n ：关闭状态； 从i n i t 到u p ：当该节点收到一个i n i t 控制包或者u p 控制包时； 从i n i t 到d o w n ：当控制检测时间超时； 从u p 到d o w n ：当该节点收到一个d o w n 控制包或者是控制检测时间超时； 从d o w n 到i n i t ：当该节点收到一个d o w n 控制包时； 从d o w n 到u p ：当该节点收到一个i n i t 控制包时； 保持i n i t 状态不变：当该节点收到一个d o w n 控制包时； 保持u p 状态不变：当该节点收到一个i n i t 控制包或者是u p 控制包时； 保持d o w n 状态不变：当该节点收到一个u p 控制包时； 2 1 5 协议会话的建立 b f d 在检测前，需要在通道两端建立对等会话，会话建立以后以协商后的速率 各自向对端发送b f d 的控制报文来实现故障检测。其会话检测的路径可以是标记交 换路径，也可以是其它类型的隧道或是可交换以太网。 一会话初始化过程 1 2 武汉邮电科学研究院硕十论文 ， 对于b f d 会话建立过程中的初始化阶段，两端是主动角色还是被动角色是由应 用来决定的，但是至少有一端为主动角色，所以对于初始化阶段可以分为两种方式。 1 两端都为主动方 当两端都为主动角色时，两端的系统都要向对端发送y o u rd i s c r i m i n a t o r ( 对端 标识符) 为0 的b f d 控制报文，直到两端学到对端的d i s c r i m i n a t o r ( 标识符) ，然 后开始建立会话( 如：由o s p f 或者i s i s 建立的b f d 会话可以是两端都为主动角 色) 。 2 一端主动方、一端被动方 一端为主动角色、一端为被动角色时，是有应用来决定谁死主动角色、谁死被 动角色的，主动方首先发送报文，然后由应用把对端的d i s c r i m i n a t o r 携带回来给主 动方，被动方在收到主动方的报文后也开始发送报文，以后主动方和被动方发送的 报文中的y o u rd i s c r i m i n a t o r 都不为零，每端都依据相应的d i s c r i m i n a t o r 把控制报文 分离到本端相应的会话上( 如：由l s p p i n g 建立的b f d 会话) 。 二会话建立的过程 会话建立过程是一个三次握手的过程，经过此过程后两端的会话变为u p 状态， 此过程中同时协商好相应的参数，以后的状态变化就是根据缺陷的检测结果来进行， 并做相应的处理。 图2 4b f d 会话的建立 1 3 瓜丽瓦丽 i n i t 【n r r 臣立要妇 武汉邮电科学研究院硕十论文 其中： b f d d o w n ：携带状态为“d o w n 的b f d 控制包 l b f d i n i t ：携带状态为“i n i t 的b f d 控制包 b f du p ：携带状态为“u p ”的b f d 控制包 l 坚三三! 兰l ：本端状态改变的结果 ：本端状态发生改变o ：发送的b f d 控制包中状态改变 如图2 4 所示，即为一个b f d 会话建立的过程： i a 、b 两站启动b f d ，各自初始状态为“d o w n ，发送b f d 报文携带状态 为“d o w n 2 b 站收到状态为“d o w n 的b f d 报文，本地状态切换至“i n i t ，发送 b f d 报文携带状态为“i n i t 。 3 b 站本地b f d 状态为“i n i t 后，再接收到状态为“d o w n 的报文不做 处理，a 站b f d 状态变化过程与b 站相同。 4 b 站收到状态为“i n i t 的b f d 报文，本地状态切换至“u p ，a 站b f d 状态变化过程与b 站相同。 5 a 、b 两站发送“d o w n i n i t ”变化后，会启动一个超时定时器，该定时 器的作用是防止本地状态阻塞在“烈i t ”( 有可能a b 连接此时断连，会话不能e 常 建立) ，如果在规定的时间内仍未收到状态为“i n i t u p ”的b f d 报文，则状态自动 切换回“d o w n 6 本地状态u p 标志着会话建立成功。 2 2b f d 协议与现有的故障检测机制的优缺点对比 2 2 1 现有的故障检测机制优缺点分析 一生成树保护 生成树协议( s p a n n i n gt r e ep r o t o c o l ，s t p ) 【4 叫是普通以太网交换机的一项重要 的技术。生成树协议的主要功能：一是在利用生成树算法，在以太网中创建一个以 某台交换机的某个端口为根的生成树，避免环路；二是在以太网拓扑发送变化时， 1 4 武汉邮电科学研究院硕十论文 通过生成树协议达到收敛保护的目的。 生成树协议主要有以下缺点：一是联合网络资源，由于生成树要避免环路，因 而需要阻塞某些网络端口，在拓扑高度冗余的情况下，网络资源的浪费是非常严重 的：二是生成树协议收敛速度慢，通常在几十秒，即使是快速生成树协议，收敛时 间也需要几秒；三是在网络拓扑复杂的情况下，生成树协议的重新收敛死转发路径 很难预测，导致严重的不确定性转发问题。 二r f c3 619e t h e r n e ta u t o m a t i cp r o t e c t i o ns w i t c h i n g ( e a p s ) e a p s 7 1 是e x t r e m e n e t w o r k s 提出的用来增强以太环网的可靠性和健壮性的一种 ? 技术，解决了简单环拓扑结构的快速收敛问题，链路切换收敛时间通常在5 0 m s 以 内，且e a p s 对环内节点的数目没有限制，即收敛时间与环内节点数目无关。 e a p s 对单环的保护倒换技术做了详细的规定，然而实际组网会比较复杂，存 在多个环网相交的情况，无法划分为多个单环进行保护，而且当环路中存在多个子 环时，一个物理环需要利用多个域保护，每个域需要一个v l a n ，浪费了v l a n 资 源。e a p s 只能在环网拓扑条件下来完成快速保护切换，应用比较有局限性。 三o s p f 协议 o s p f 即开放式最短路径优先协议( o p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t ) 【引。它是一个复杂 的路由协议，其复杂的根源在于如何高效、容易地生成和维护链路状态的数据库。 它基本可以分成如下几个基本操作步骤：发现o s p f 邻居路由器、选择这顶路由器 并建立邻接关系、同步数据库、计算路由表以及发布链路状态广告。该协议的优点 是可以规划的网络规模大，正是由于这些优点，将会导致数据库同步和计算路由表 的时间相应的增加，从而造成了收敛时间长的缺点，使其故障检测时间需要2 秒钟， 或者甚至更长。 2 2 2b f d 协议的特点分析 相对于以上列举的各种故障检测协议，b f d 体现出了它自己的特性以及其功能 【9 1 们，包括： 1 b f d 是一个生存性检测协议，它自己不决定如何处理故障。 2 b f d 用单一的机制对任何介质、任何协议层进行实时检测，并支持不同的 检测时间与丌销。比如，如果物理媒质不能检测物理或数据链路层故障，则使用 1 5 武汉邮电科学研究院硕+ 论文 b f d 检测此类故障。在本课题研究中暂时只实现d 层上线路检测。 3 b f d 对相邻转发引擎之间的通道故障提供轻负荷、短持续时间的检测。 4 b f d 可以与多个控制协议互通。即如果几个相关( 或者具有上下层次) 的 协议都需要b f d 会话，则选择最底层的协议与b f d 进行交互，此协议使用现有的 机制与其他协议进行交互。这样将为网络提供更快的故障检测和恢复性能。 5 为链路提供查询异步两种模式的双向的检测功能：在双向链路两端同时发 送检测报文，检测两个方向上的链路状念，实现毫秒级别的链路缺陷检测。 6 提供对b f d 参数的动态改变功能：会话建立后，动态的改变b f d 的相关参 数，以适应不同协议和不同网络的需求。 7 提供对单跳和多跳链路的b f d 检测：如在i p v 4 6 网络上的单跳b f d ，以及 多跳b f d 等等。 8 提供b f d 的检测结果，通告给注册到b f d 的模块使用，以便支持对其它模 块的相关处理操作。该操作以便于与其他协议结合使用。 与此同时，b f d 也存在着一些缺点： 1 b f d 可能生成错误告警。因为b f d 的定时器时间非常短，因此瞬时的数据 冲击或队列拥塞可能导致b f d 丢包，从而导致检测定时器超时。尽管发送时可以将 b f d 设置为最高优先级，但是硬件收包无法对b f d 包进行优先级识别。 2 b f d 需要消耗一定的c p u 资源。在非分布式平台上，同时运行1 0 0 个b f d 会话时至少增加2 的c p u 开销；在分布式平台上，除了会话建立和关闭外，主控 c p u 不受b f d 影响。 综述上述各种故障检测机制，如表2 1 所示，简要的说明了各个协议的性能： 表2 1 各个故障检测机制协议的性能 协议实现机制网络规模收敛时间 b f d h e l l o 报文无限制 ， 5 0 m s e a p sh e l l o 报文规模较小5 0 m s o s p fh e l l o 报文 无限制 2 s 生成树生成树算法( s t a )规模很小几秒几十秒 1 6 武汉邮电科学研究院硕十论文 第3 章链路检测机制b f d 的实现 基于第二章对b f d 协议的研究，本章中将会对该协议的实现以及其在v r r p 协议中的应用进行细致的分析。首先将会详细的划分b f d 每个模块的功能以及各个 模块功能的实现过程，b f d 协议本身分解成了三个模块来实现b f d 的基本功能： 上层协议接口模块、配置命令管理模块以及b f d 会话模块。其中会话模块又由初始 化模块，收包发包模块以及检测模块组成。接着将会介绍在v r r p 中如何应用b f d 协议，以及b f d 在v r r p 中的实现过程。b f d 在v r r p 中主要有两种应用场景： 监测v r r p 对等体之间的状态以及监测v r r p 与上联接口之间的状态。最后，通过 在网络的典型应用拓扑中，对b f d 与v r r p 相结合的应用进行了简要说明。 3 1 总体结构和模块划分 图3 1b f d 总体结构框架图 如图3 1 所示为b f d 协议的总体结构以及其模块的划分，在本次的协议实现中， 1 7 武汉邮电科学研究院硕十论文 将b f d 协议划分成如下几个模块：上层协议接口模块、配置命令管理模块以及b f d 会话模块。在b f d 会话模块中又将其细分为几个小的子功能模块：初始话模块、 b f d 收包模块、b f d 发包模块以及检测模块。- b f d 的收包模块和检测模块其实可以看成一个整体，在收到包之后，就启动检 测机制，对该包进行检测，看该包是有效包还是无效包，是否该丢弃，以及进行下 一阶段的运行。 。 3 2 模块的设计及实现 3 2 1 上层协议接口模块 b f d 与上层协议通信的接口通过消息队列来实现。 。 b f d 定义了一个注册函数用来通告上层协议： ：t y p e d e fs t a t u s ( * b f d f u n c p t r ) ( u l o n g , u l o n g , u c h a r ) ； 对于上层协议，要增加一个消息队列d 和一个全局的数组，数组每个成员所 有要检测的邻居的p 地址以及对应的相应会话状态：上层协议需要起一个任务，直 接调用b f d 提供的注册函数，做为b f d 向上层协议发送消息的通告接口，里面通 过消息队列i d 不停的接收消息。 对于b f d 协议，b f d 的会话变量中要加入一个函数链表，元素为注册函数的 回调函数，而这些回调函数就构成了通告接口。该协议本身要提供的接口，包含两 部分：第