基于分布式路由器的LDP優(yōu)雅重啟技術(shù)的研究與實現(xiàn)

郭曉丹 李誠

(1.四川省成都市成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院，四川成都610059；2.四川省成都市邁普通信技術(shù)股份有限公司，四川成都610041）

1.引言

互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，帶來了網(wǎng)絡(luò)的擴張，同時網(wǎng)絡(luò)的普及也給網(wǎng)絡(luò)發(fā)展帶來了挑戰(zhàn)。高可靠性網(wǎng)絡(luò)成為了諸多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供商，網(wǎng)絡(luò)方案提供商追求的目標。無中斷轉(zhuǎn)發(fā)就是高可靠性中的重要一項，能夠?qū)崿F(xiàn)無中斷轉(zhuǎn)發(fā)，即實現(xiàn)在設(shè)備重啟過程中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)工作依舊進行，對于一個無中斷的設(shè)備平臺來說，轉(zhuǎn)發(fā)平面和控制平面的分離是必須的[1]。

MPLS在虛擬專用網(wǎng)（VPN）和流量工程方面有很強的優(yōu)勢。它能夠根據(jù)控制信令協(xié)議分發(fā)的標簽形成天然的隧道，幫助虛擬專用網(wǎng)的建立，同時數(shù)據(jù)包可以在天然隧道上快速轉(zhuǎn)發(fā)，這些轉(zhuǎn)發(fā)路徑可以方便地進行各種策略控制來實施流量工程。為了維護當前MPLS網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定，和路由協(xié)議一樣，作為MPLS信令協(xié)議之一的LDP支持優(yōu)雅重啟，將使MPLS轉(zhuǎn)發(fā)部件在LDP重啟過程中仍然可以使用LDP在重啟之前所建立的MPLS LSP（MPLS標簽交換路徑）進行標簽交換而不會受到影響。

2.分布式路由器體系結(jié)構(gòu)

在路由器體系結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)來控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離后，進一步的改進機制又有了新的發(fā)展，那就是分布式路由器。不僅控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離，分別置于不同的卡上，而且將轉(zhuǎn)發(fā)分布在幾張線卡上。這樣子不僅提高了轉(zhuǎn)發(fā)速度，而且提高了轉(zhuǎn)發(fā)的可靠性。

在分布式路由器上，有雙主控，多線卡的硬件平臺，為不間斷轉(zhuǎn)發(fā)提供了硬件基礎(chǔ)條件。

3.高網(wǎng)絡(luò)高可靠性的優(yōu)雅重啟機制

3.1 實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)高可靠性的相關(guān)技術(shù)

對于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備高可靠性的提高，當然要從軟件與硬件兩個方面著手考慮。當前網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的硬件部件冗余，軟件可恢復(fù)性及故障切換機制，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)級別，系統(tǒng)的復(fù)雜性等等都是考慮范圍之內(nèi)的。

提高網(wǎng)絡(luò)硬件的高可靠性，應(yīng)該在硬件上做出相應(yīng)的改進，冗余機制自然是首選。因為硬件在使用過程中難免出現(xiàn)磨損和故障，需要有備份的硬件來完成相應(yīng)的工作接替。當前的冗余機制包括了路由處理器、背板、電源、線卡和風(fēng)扇等的冗余。當然，提高硬件可靠性還需要在硬件的體系結(jié)構(gòu)上進行改進，分布式路由器的提出就是硬件改進的典型案例。分布式路由器上一般都包含雙主控，也就是一個主控卡做主卡，一個主控卡做從卡，主卡與從卡的配置需要同步保存，同時從卡應(yīng)該實時監(jiān)控主卡的工作狀態(tài)，在此條件下，從卡做好隨時接替主卡工作的準備，從而為優(yōu)雅重啟創(chuàng)造了條件。

在分布式路由器上，路由控制與轉(zhuǎn)發(fā)功能是分布在不同的控制卡上運作的。路由控制層主要功能是完成路由計算，并且將計算結(jié)果發(fā)送給轉(zhuǎn)發(fā)層，轉(zhuǎn)發(fā)層則將相應(yīng)數(shù)據(jù)流根據(jù)控制層的信息進行處理。轉(zhuǎn)發(fā)功能可以集中在一個控制板上完成，也可以分布在多張線卡上完成。由于網(wǎng)絡(luò)中的不穩(wěn)定性往往導(dǎo)致產(chǎn)生大量的過載的路由控制信息。而這種功能模塊上的劃分使得轉(zhuǎn)發(fā)平面與網(wǎng)絡(luò)中潛在的不穩(wěn)定性隔絕開來，同時也避免了因為路由協(xié)議崩潰可能帶來的影響，使無中斷轉(zhuǎn)發(fā)成為了可能[2]。

在硬件提供改進條件的情況下，運行于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的軟件應(yīng)該能夠相應(yīng)的實施故障檢測及故障友好處理的方式。為了避免因為硬件故障而引起的網(wǎng)絡(luò)動蕩及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的丟失，快速檢測技術(shù)和快速重啟技術(shù)得到了廣泛研究與探討。路由協(xié)議的改進與擴展，如路由協(xié)議的定時器設(shè)置、快速重啟等等都是在這些情況下提出來的。

3.2 LDP優(yōu)雅重啟技術(shù)簡介

在MPLS技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，尤其是在核心網(wǎng)絡(luò)中的地位得到提高的前提下，MPLS網(wǎng)絡(luò)高可靠性得到極大關(guān)注。在通常的MPLS網(wǎng)絡(luò)環(huán)境里，當標簽交換路由器（LSR）或者LDP協(xié)議重啟時，LDP將失去與鄰居的鄰接關(guān)系。鄰居LSR檢測到鄰接關(guān)系失效后會重新分發(fā)標簽，向其它鄰居發(fā)送標簽撤銷消息或者新的標簽映射消息。這種標簽更新行為將在整個MPLS網(wǎng)絡(luò)中進行傳播。而且在新的標簽交換路徑(LSP)形成之前，重啟路由器是不會收到其它路由器發(fā)送的數(shù)據(jù)的。

而重啟啟動時，又會重新與鄰居建立鄰接關(guān)系，鄰居路由器又要重新更新標簽交換路徑，并發(fā)送相應(yīng)的消息[3]。由此導(dǎo)致的標簽信息表頻繁的刪除添加操作，生成大量標簽更新處理的報文，整個網(wǎng)絡(luò)的控制平面都受到一定的壓力。如果網(wǎng)絡(luò)規(guī)模很大，那么整個網(wǎng)絡(luò)受到的影響更為嚴重。LSP的不穩(wěn)定帶來整個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的中斷是不可避免的。如果多個路由器或多個路由器上的LDP重啟，那么影響會更加厲害。在MPLS網(wǎng)絡(luò)中引入LDP優(yōu)雅重啟技術(shù)可以將上述缺陷造成的負面影響最小化。

3.3 LDP優(yōu)雅重啟技術(shù)的工作原理

下面介紹LDP優(yōu)雅重啟的基本工作原理。在優(yōu)雅重啟過程中，路由器分為三類：

（1）重啟路由器（RR）——要進行重啟的路由器。

（2）協(xié)助路由器（HR）——進行重啟的路由器的鄰居。（3）其它路由器（OR）——網(wǎng)絡(luò)中除了（1）（2）兩類的其它路由器。

優(yōu)雅重啟就是在重啟路由器在重啟過程中，重啟路由器與協(xié)助路由器之間通過一系列的互操作完成重啟路由器恢復(fù)重啟前的轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。

如果某臺路由器能夠在重啟中保留MPLS轉(zhuǎn)發(fā)表直到重啟完成，則它具有優(yōu)雅重啟功能，這時，它會通過初始化消息向鄰居通告其具有LDP優(yōu)雅重啟能力，同時通告它能夠保留MPLS轉(zhuǎn)發(fā)表的最長時間（MPLS forwarding state holding time）。一個LSR自身具有LDP優(yōu)雅重啟功能并不一定能夠在自己主控卡重啟時減少MPLS轉(zhuǎn)發(fā)受到的負面影響，但是如果它的鄰居能夠支持，那么就能夠最小化它在重啟過程中的負面影響[4]。

如果重啟LSR的鄰居都支持LDP優(yōu)雅重啟，當檢測到此LSR重啟時，其鄰居LSR都會保存此重啟LSR的相關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)信息，并且在對相應(yīng)信息打上stale標識，直到在MPLS forwarding state holding time時間內(nèi)重新收到相同信息時去掉此stale標識。同時在此LSR重啟過程中，鄰居LSR都會協(xié)助它完成轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)的恢復(fù)。如果超時，那么所有LSR（包括鄰居LSR和重啟LSR）都會認為重啟完成，將此時有stale標識的表項都會刪除掉[4]。

重啟完成后，重啟LSR就會恢復(fù)重啟前的MPLS狀態(tài)，同時更新為網(wǎng)絡(luò)中更新的狀態(tài)。

4.分布式路由器上的LDP優(yōu)雅重啟的實現(xiàn)

LDP需要拓展才能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)雅重啟，此拓展就是LDP協(xié)議需要在初始化消息中增加對FT（Fault Tolerant）Session TLV作為可選參數(shù)的支持。LSR通過向?qū)Φ润w發(fā)送攜帶FT Session TLV參數(shù)的初始化消息來表明自己支持LDP優(yōu)雅重啟[4]。

FT Session TLV的編碼格式如下：

如果LSR（標簽交換路由器）啟用了LDP優(yōu)雅重啟功能后，則將Learn From Network（L）標識位置為1，而其余標識位都置0。如果收到L標志位為1的FT Session TLV參數(shù)，其余置1的標志位將被忽略。

4.1 能力通告模塊

該模塊在路由器與鄰居路由器建立LDP會話關(guān)系時，通過發(fā)送初始化消息通告其自身具有支持優(yōu)雅重啟的能力，并正確反映路由器的當前狀態(tài)(兩個定時器的時間值反映是否處于重啟狀態(tài))。在LDP原有能力的基礎(chǔ)上，定義新的能力(Graceful Restart)，能力值有“重啟動標志”域、“重啟動時間”域。

4.2 定時器模塊

LSR使用FT Session TLV參數(shù)向?qū)Φ润w通告兩個時間：FT Reconnect Timeout和Recovery Time。分別對應(yīng)兩個定時器MPLS forwarding state holding timer和recovery timer。

在LDP重啟時啟動MPLS forwarding state holding timer。FT Reconnect Timeout是發(fā)送方希望接收方在檢測到和發(fā)送方之間的LDP通信發(fā)生故障后等待LDP會話重新建立的時間，在這段等待時間內(nèi)，接收方將保留通過發(fā)送方和接收方之間鏈路已經(jīng)建立起來的LSPs的MPLS轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。將FTReconnect Timeout的值置為0表明發(fā)送方在LDP重啟過程中將不會保存轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，但它支持優(yōu)雅重啟。

Recovery Time是LSR將保留它在LDP重啟前保存的MPLS轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)的時間。這個時間從LDP重啟后發(fā)送攜帶FT Session TLV參數(shù)的初始化消息時啟動recovery timer。發(fā)送方和接收方之間可以在這段時間內(nèi)重新同步所有的LSPs的MPLS轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。Recovery Time的值被置為0表明發(fā)送方在LDP重啟前沒有保存MPLS轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)（或者雖然保存了但不可用）。

4.3 標簽轉(zhuǎn)發(fā)信息維護模塊

該模塊在路由器正常工作和重啟動期間負責(zé)維護LDP標簽信息，MPLS轉(zhuǎn)發(fā)表，包括FTN和ILM。此模塊包括更新LDP標簽信息、MPLS轉(zhuǎn)發(fā)表。原有系統(tǒng)對LDP標簽信息的管理和維護是在進程內(nèi)部實現(xiàn)，當LDP進程重啟動后，原有的標簽信息都將遺失。為了維護LSR的標簽信息，就必須根據(jù)標簽轉(zhuǎn)發(fā)表，還有鄰居通過新建立的LDP會話，發(fā)送重啟前分發(fā)的標簽信息，由此來維護重啟過程中的標簽轉(zhuǎn)發(fā)信息。

4.4 LDP控制模塊

該模塊是實現(xiàn)LDP優(yōu)雅重啟的核心模塊。根據(jù)LDP優(yōu)雅重啟的工作原理來組織和協(xié)調(diào)其它模塊的相關(guān)工作，使得LDP能夠完成基本功能和LDP優(yōu)雅重啟功能。其中LDP優(yōu)雅重啟過程可以從下圖中看到[4]。

圖1 LDP優(yōu)雅重啟過程

5.結(jié)束語

本文詳細介紹了LDP優(yōu)雅重啟實現(xiàn)的原理及細節(jié)，同時在分布式路由器上的實現(xiàn)。實現(xiàn)了LDP優(yōu)雅重啟的基本功能，但是也有一些地方需要進一步改進。如果上下游會話斷開的時候，有優(yōu)雅重啟能力的LSR會保存先前的標簽，但是下游可能在會話斷開后，釋放了某個轉(zhuǎn)發(fā)等到價類(FEC)的標簽，而重新把這個標簽分發(fā)給了另外一個FEC，而上游還不知道這個對應(yīng)關(guān)系，依舊會用原來的標簽對應(yīng)原來的FEC[4]，這樣子，在轉(zhuǎn)發(fā)過程中就會導(dǎo)致m is-route情況發(fā)生。這也是后面工作中需要努力改進的方向之一。

[1] 馬海龍，陳樂然，郭云飛.面向IPv4/v6的BGP平滑重啟的設(shè)計與實現(xiàn)[J].微機發(fā)展.2005，15(9)：136-138.

[2] 伏金平，王寶生，陳曉梅，蘇金樹.面向ForCES路由器結(jié)構(gòu)的BGP Graceful Restart技術(shù)研究[J].計算機工程與科學(xué).2006，28(7)：34-38.

[3] Y.Rekhter Category，Juniper Networks，R.Aggarwal，Redback Networks.Graceful Restart Mechanism for Label Distribution Protocol.RFC3478.2003

[4] M.Leelanivas，Y.Rekhter，Juniper Networks，R.Aggarwal，Redback Networks.Graceful Restart Mechanism for Label Distribution Protocol.RFC3479.2003