鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)應用FRR技術研究

陳鄭超 岳銘凱

（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)應用FRR技術研究

陳鄭超 岳銘凱

（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

數(shù)據(jù)網(wǎng)承載實時性業(yè)務后，對流量的中斷非常敏感，討論當網(wǎng)絡節(jié)點或鏈路失效后，如何通過快速重路由FRR（快速重路由）實現(xiàn)對流量的快速恢復。

數(shù)據(jù)網(wǎng)；快速重路由；鐵路應用

1 概述

隨著數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)絡規(guī)模的擴大，承載的實時性業(yè)務（如語音、流媒體、以及視頻會議等）不斷增長，對流量的中斷非常敏感。當網(wǎng)絡節(jié)點或鏈路失效后，如何實現(xiàn)對流量的快速恢復越來越重要。

當網(wǎng)絡中某條鏈路或者某個節(jié)點失效后，網(wǎng)絡中其他路由器無法立刻發(fā)現(xiàn)，仍然向該鏈路或該節(jié)點上轉發(fā)流量，導致經(jīng)過這些失效節(jié)點的報文被丟棄；或者在路由器發(fā)現(xiàn)鏈路或節(jié)點失效后，由于網(wǎng)絡收斂，導致全網(wǎng)路由轉發(fā)表不一致，出現(xiàn)轉發(fā)層面的環(huán)路。導致網(wǎng)絡產(chǎn)生瞬時流量中斷或流量回環(huán)，在網(wǎng)絡收斂完成后才能恢復正常轉發(fā)。

快速重路由（FRR)機制正是為解決以上問題而提出，主要實現(xiàn)以下功能。

*鏈路失效的快速發(fā)現(xiàn)。

*備份路徑的快速提供。

*在網(wǎng)絡收斂過程中避免路由環(huán)路。

目前業(yè)界FRR的主要技術實現(xiàn)有在IP網(wǎng)絡環(huán)境下的IP FRR，以及在MPLS網(wǎng)絡環(huán)境下的MPLS TE FRR、LDP FRR、VPN-FRR等多種實現(xiàn)方式。

2 IP FRR

IP FRR仍然是依據(jù)傳統(tǒng)IP轉發(fā)模式，通過配置本節(jié)點備用路由方式實現(xiàn)，在設備檢測到原本主用路由不可用時，不立即廣播路由更新信息并進行全網(wǎng)路由計算，而是利用預配置的備份路由條目優(yōu)先進行故障修復。在全網(wǎng)路由更新期間，優(yōu)先通過備份路由進行數(shù)據(jù)轉發(fā)，盡量減少轉發(fā)流量的中斷。

目前，支持IP FRR功能的路由協(xié)議有靜態(tài)路由、OSPF、IS-IS和RIP。配置IP FRR時，可以使用路由策略靜態(tài)指定備份下一跳（4種路由協(xié)議都支持），可針對指定的IP地址前綴應用FRR；也可以采用自動計算備份下一跳的方式（僅OSPF和IS-IS支持），由路由協(xié)議自動計算，所有OSPF或IS-IS路由都會有備份下一跳。

由于IP轉發(fā)是無信令連接,本節(jié)點的IP FRR備用路由配置，包括備用路由的建立和流量的轉發(fā)，都不會影響其下一跳節(jié)點以及其備用下一跳節(jié)點的轉發(fā)路由表，在臨時狀態(tài)中，流量在被倒換至備用下一跳之后的去向和狀態(tài)，對于本節(jié)點是不可見的，因此進行IP FRR配置必須在網(wǎng)絡方案的設計上來規(guī)避IP FRR可能導致的流量環(huán)路，通過人工計算確保每條備份路由沒有發(fā)生環(huán)路，全網(wǎng)考慮IGPCost值的部署，以保證其部署后的可用性。

同時，由于目前IP隧道（例如：IPv6 over IPv4隧道等）不支持BFD(雙向轉發(fā)狀態(tài)檢測)，導致當IP隧道鏈路故障時，設備無法進行快速備份鏈路切換，因此IP隧道方式組網(wǎng)也暫不支持IP FRR。

3 MLPS TE FRR

傳統(tǒng)路由選路協(xié)議通常選擇最短的路徑（跳數(shù)）或鏈路帶寬（鏈路狀態(tài)協(xié)議）作為路由計算參數(shù)，不考慮鏈路負載等因素，因此即使鏈路發(fā)生擁塞，通常也不會進行鏈路切換。而MPLS TE則是將MPLS技術與流量工程技術相結合，利用資源預留協(xié)議，為需要保護的鏈路建立指定的LSP隧道，保證關鍵鏈路的資源預留以及優(yōu)化，在資源緊張的情況下，還可以根據(jù)優(yōu)先級和搶占參數(shù)的情況，由高優(yōu)先級隧道向下?lián)屨嫉蛢?yōu)先級隧道的帶寬資源；并通過備份路徑和快速重路由技術，在鏈路或節(jié)點失效的情況下，通過保護隧道，為關鍵業(yè)務提供保護。

MPLS TE FRR是MPLS TE技術中用于實現(xiàn)鏈路和節(jié)點冗余保護的機制。當LSP鏈路或節(jié)點設備端口故障時，由故障節(jié)點設備發(fā)起保護倒換，承載流量切換至保護隧道傳輸，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性，同時全網(wǎng)重新進行LSP更新，建立新的LSP拓撲。

目前備份實現(xiàn)方式有2種：Bypass方式和Detour方式。Bypass方式是用1條保護路徑保護多條LSP；Detour方式則是通過一比一方式實現(xiàn)對關鍵LSP的保護。目前在實際部署中，Bypass方式使用更為廣泛。

MPLS TE FRR的特點是網(wǎng)絡快速局部保護,通常部署在對網(wǎng)絡可靠性要求比較高的承載網(wǎng)絡中，用于實現(xiàn)當網(wǎng)絡中關鍵鏈路出現(xiàn)局部失效時的快速倒換，減少對承載業(yè)務的影響。

4 LDP FRR

在沒有部署流量工程的MPLS網(wǎng)絡環(huán)境中，可以采用LDP FRR技術實現(xiàn)快速重路由，路由器借助LDP協(xié)議實現(xiàn)路由標簽分配，快速對路由變化作出響應，達到50 ms保護切換的要求。

在配置了LDP快速重路由功能的網(wǎng)絡中，當接口故障（通過接口自己感知或結合BFD檢測）或者主LSP不通（結合BFD檢測）時，LDP快速重路由功能會將流量快速切換到備份LDP LSP上，實現(xiàn)對主LSP的保護，保證流量的快速切換。

LDP FRR技術同MPLS TE FRR相比，具有明顯優(yōu)勢：

1）LDP FRR的部署不依賴于MPLS TE技術，對承載設備的壓力較小。

2）本地化標簽分配，不需要進行全路徑標簽分配協(xié)商。

3）多節(jié)點分布式處理，可同時實現(xiàn)鏈路保護、節(jié)點保護和路徑保護，不需要分別建立備份LSP。

但是LDP FRR也存在類似于IP FRR的局限性，由于標簽為本地分發(fā)，因此在建立備用轉發(fā)方案時，需要通過手動計算確認備份路徑標簽轉發(fā)表的可用性，存在部署的擴展性問題，因此目前尚未見到實際部署方案。

5 VPN FRR

CE雙歸屬是MPLS網(wǎng)絡中非常普遍的一種組網(wǎng)形式，但是MPLS TE FRR作為局部網(wǎng)絡保護技術，不能實現(xiàn)業(yè)務的端到端保護，一旦PE節(jié)點發(fā)生故障，只能通過端到端的路由收斂、LSP收斂來恢復業(yè)務，其業(yè)務收斂時間與MPLS VPN內(nèi)部路由的數(shù)量、承載網(wǎng)轉接跳數(shù)密切相關，目前在實際網(wǎng)絡測試，一般在5 s左右。

VPN FRR則是利用VPN私網(wǎng)路由快速切換技術，通過在遠端PE設備中預先配置指向本地主用PE和備用PE的轉發(fā)表項，并結合PE設備的故障快速探測，在PE節(jié)點設備故障情況下，實現(xiàn)端到端業(yè)務收斂時間小于1 s。

6 鐵路骨干數(shù)據(jù)網(wǎng)部署FRR應考慮的問題

鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)采用MPLS技術路線，所有業(yè)務流量均通過MPLS進行承載，同時考慮網(wǎng)絡實際部署案例，建議鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)FRR技術路線選擇MPLS TE FRR，在網(wǎng)絡設計中，應首先明確FRR是提高業(yè)務承載質(zhì)量的有效手段，但并不是網(wǎng)絡部署的終極目標，在進行該技術部署時，要綜合考慮以下問題。

首先，F(xiàn)RR是業(yè)務臨時倒換保護措施，F(xiàn)RR生效后，保護隧道所在的物理鏈路負載必然會上升，因此在網(wǎng)絡設計中仍然需要通過輕載（Over Provisioning）來保障保護鏈路可以同時承載業(yè)務流量以及保護流量，以及相應的QoS。為了避免在網(wǎng)絡保護倒換啟動后導致網(wǎng)絡擁塞，因此在網(wǎng)絡設計的帶寬測算時，應考慮在正常情況下，鏈路的帶寬利用率不能超過50%。

其次，F(xiàn)RR切換至保護鏈路只是臨時措施，網(wǎng)絡自身仍會采用make before break機制來進行IGP收斂和首端LSP重優(yōu)化，并采用顯示共享進一步降低對業(yè)務帶寬的占用，因此，在主用鏈路為備份隧道預留帶寬不僅會造成網(wǎng)絡資源的浪費，還會對其他正常TE LSP的最優(yōu)路徑計算造成影響，因此在網(wǎng)絡設計中建議FRR的保護鏈路是一對一的，即預留帶寬計算只考慮備用鏈路保護主用鏈路，在收斂完成后，網(wǎng)絡仍然進行回切，不要考慮由主用鏈路對備用鏈路進行備份。

最后，基于TE的FRR在實現(xiàn)機理上不同于以往的底層SDH通道、復用段保護，是一種轉發(fā)平面先于控制平面進行的保護，對IGP、CSPF、RSVP、LDP收斂等帶來的影響，對網(wǎng)絡流量流向因不同協(xié)議收斂機制不同而導致相互之間的作用以及影響還沒有太多實際經(jīng)驗可供借鑒，需要在網(wǎng)絡運維與管理中進一步進行深入研究。

TE FRR只是局部保護技術，需要明確當鏈路或節(jié)點故障發(fā)生在TE域之外時，網(wǎng)絡的故障切換及恢復仍然依賴于傳統(tǒng)的IGP以及LDP的收斂來實現(xiàn)。

目前實現(xiàn)FRR的節(jié)點保護需要采用LDP FRR,該技術擴展性較差，目前部署FRR都應用在網(wǎng)絡的核心轉發(fā)平面，而目前核心設備的可靠性遠遠高于廣域網(wǎng)鏈路，因此不建議進行節(jié)點保護策略實施。

部署FRR需考慮在網(wǎng)設備的兼容性，建議在FRR域內(nèi)盡量采用同一廠家設備。因為雖然各廠家都聲稱其主流設備可實現(xiàn)對TE及FRR的兼容，但根據(jù)實際測試結果和以往部署經(jīng)驗，各廠家在某些特性的具體實現(xiàn)上仍有細微的差別，需要對設備的配置參數(shù)進行微調(diào)，以達到最佳的協(xié)調(diào)狀態(tài)，這在網(wǎng)絡運行初期尤其是缺乏既往TE維護經(jīng)驗的情況下難以實現(xiàn)。

7 小結

鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)部署FRR技術可以有效減少端口及鏈路故障對承載業(yè)務的影響，但FRR實際部署應用案例比較少，建議在網(wǎng)絡建設初期可以對典型業(yè)務試點，在積累了運維經(jīng)驗后進一步進行結合多種技術，優(yōu)化數(shù)據(jù)網(wǎng)承載業(yè)務體驗。

If a data network carries real-time services, it will be highly sensitive to traffi c interruption. The paper discusses how to quickly recover the traffi c communication through Fast Reroute (FRR) after the network node failure or link failure.

data network; ERR; railway application

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.02.009

2015-02-09）

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)重大課題項目（2300-K1130004.01）