网络高可用性技术白皮书之一

网络高可用性技术白皮书（一）杭州华三通信技术有限公司目录网络高可用性技术白皮书（一） (1)1. 硬件冗余 (1)1.1 主控冗余 (1)1.2 单板热插拔 (2)1.3 电源风扇冗余 (3)2. 链路捆绑技术 (3)3. 热补丁技术 (3)4. IRF智能弹性架构 (4)4.1 分布式设备管理 (5)4.2 分布式路由 (7)4.3 分布式链路聚合 (8)网络高可用性技术白皮书网络高可用性技术，基本都可以归入容错技术，即在网络出现故障（错误）时，确保网络能快速恢复。

对目前常用的高可用性技术，可以作一个简单的归类：z单个设备上的硬件冗余，如双主控、单板热插拔、电源冗余、风扇冗余等；z链路捆绑，如以太网链路聚合、MP、MFR等；z环网技术，如RPR、RRPP；z STP、Smart Link、Flex Link等二层冗余技术；z冗余网关技术，如VRRP、HSRP、GLBP；z ECMP，浮动静态路由，动态路由快速收敛（如快速hello，iSPF）；z不间断转发：NSF/SSO/GR；z MPLS 快速重路由；z快速故障检测技术，如BFD。

1. 硬件冗余这里的硬件冗余指的是单台设备上的硬件冗余，一般有主控冗余、交换网冗余、单板热插拔和电源风扇冗余等，使用冗余部件可以在单个部件可靠性一定的情况下，提高整个设备的可用性。

随着硬件技术的进步，目前很多设备交换网集成在主控板上，所以交换网冗余不单独介绍。

1.1主控冗余在设备只有单主控的情况下，如果主控板故障，重起主控板需要加载映象文件、初始化配置、重新注册业务板，然后重建控制平面和转发平面表项，整个过程在5分钟左右，这个时间实在是太长了，特别对于网络中处于单点故障的节点来说更是如此，因为业务在这个过程中将完全中断。

为了缩短这个时间，主控冗余应运而生。

主控冗余是指设备提供两块主控板，互为备份。

因为主控冗余在控制和转发分离的架构下才能发挥最大的效用，这里先介绍一下控制和转发分离的概念。

在控制和转发分离的架构中，控制平面负责各种协议，如路由协议（如RIP/OSPF/IS-IS/BGP）、标签分发协议（如LDP/RSVP-TE/BGP）等的处理，形成路由信息表（RIB）和标签信息表（LIB），从其中选择最优者，加上必要的二层信息，形成路由转发信息表（FIB）和标签转发信息表（LFIB），下发到转发平面，转发平面据此实现快速转发。

控制平面的处理在主控板上进行，转发平面的处理既可以在主控板（集中式设备），也可以在业务板（分布式设备）。

一旦实现了控制和转发分离，即使控制平面出现故障，转发平面的转发表项在短时间内可以认为仍然合理，继续转发数据而不会导致问题（如环路），当然，控制平面必须能快速恢复并重新和邻居建立协议会话，收敛后再对转发平面进行检查，对表项作必要更新，删除在新的会话环境下不再正确的转发表项。

在主控冗余的设备上，配备了两块主控板，一块实际起作用，称为Master，另一块备用，称为Slave。

只有Master进行控制平面的处理，并生成转发表项。

Slave上的映像文件虽然也充分启动，配置也从Master实时备份，但Slave不参与控制平面的处理。

不过，Master转发平面的各种表项（如L2/L3转发表项、组播转发表项、标签转发表项），会以实时增量备份和定期完整备份相结合的方式持续备份到Slave上。

虽然Slave上的控制平面对网络状况一无所知，但转发平面确因为和Master进行了同步而基本能反映当时的网络转发状态，随时可以替换Master 承担起转发任务，这就是转发和控制分离带来的效果。

设备实时检测Master是否正常工作，检测手段可以是检测主备板之间的硬件心跳，也可以使用IPC通道或用其他方式进行检测。

一旦发现Master异常，立即启动主备切换，由Slave接管Master的工作，Master和Slave的角色互换。

和单主控相比，双主控的收敛性能要好得多，因为在双主控情况下，Slave已经预先完成映象文件的加载和配置的初始化工作，主备切换时业务板不需要重新注册，二三层接口也不会出现up/down。

另外，因为Slave上已经备份有转发表项，可以立即承担转发任务，在一定程度上可以避免业务中断。

不过，因为新的Master在主备切换前不参与控制平面的处理，在切换后需要重新和邻居进行会话协商，所以虽然保存了完整的转发表项，但只能避免部分流量不中断。

比如，二层业务，以及从本设备往外发送的流量可以不中断；另外，如果和邻居之间配置的是静态路由或静态LSP 的话，邻居也会继续往发生倒换的设备发送流量，流量不中断。

但如果和邻居之间是动态路由协议或动态标签分发协议，和邻居之间的流量是会中断的，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Master在发出的Hello报文中没有原来邻居的RID，会导致邻居把OSPF会话状态重置，并把和发生切换的设备相关的LSA删除，导致路由重新计算，如果有其他可选路径的话，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重新收敛，在重新收敛之前，邻居是不会把流量发给发生主备切换的设备的。

下面分析一下主备切换的收敛时间。

主备切换的前提条件，是检测到Master故障。

在Master 故障但没有被检测到的时间内，会导致报文丢失。

其次，主备切换期间也会丢一部分报文。

最后，主备切换完成后，设备需要和和邻居重建协议会话，这也需要一定时间。

总的来说，主备切换的收敛时间为：Master故障检测时间+切换时间+信令收敛时间。

1.2单板热插拔单板热插拔，是指在设备正常运行时，在线插拔单板，而不影响其他单板的业务。

一般的中高端机架式设备，均支持单板热插拔。

单板热插拔功能包括：z往机框中新增单板不影响已经在用单板z可在线更换单板，即拔出单板换一块新单板（或老板重新插入）时，新单板能继承原来的配置，并且不影响其他单板的工作。

z对于分布式设备，在添加或插拔单板时，FIB表能同步到单板。

单板热插拔和跨板的链路捆绑技术相结合，一定程度上提供了单板间的1：N备份功能。

单板热插拔的收敛时间不好衡量，就以配置继承和生效为例，收敛时间和配置的类型及配置的多少有极大的关系。

如果和链路捆绑结合，收敛时间还和链路捆帮的收敛时间相关。

1.3电源风扇冗余为了保证设备电源收入的稳定，中高端设备一般提供双路电源输入，当一路输入出现故障时，能自动切换到另一路，不影响设备功能。

另外，中高端设备一般通过多个电源模块供电，采取1：N备份方式，一个电源模块为其他N个提供备份，在拔出某一个电源模块时，其他模块能提供足够电源功率。

风扇作为散热的重要手段，中高端设备也提供风扇冗余，一般提供多个风扇框，可以在线更换其中的风扇框，不影响产品功能。

电源和风扇的切换和更换不应该影响产品的转发功能，可以认为其收敛时间为0。

2. 链路捆绑技术链路捆绑，就是把多个属性相同的物理链路捆绑在一起，逻辑上当成一个链路。

链路捆绑能带来以下好处：z能提供更高的链路带宽z流量可在各个链路间实现负载分担z链路间互为备份，可提高可用性。

另外，跨单板、跨设备的链路捆绑事实上提供了一定程度的单板、设备间的互为备份功能，较大的提高了网络的可用性。

常见的链路捆绑有：以太网链路聚合，多链路PPP，多链路帧中继等。

因为链路捆绑相对比较简单，这里不展开叙述。

3. 热补丁技术1.热补丁原理补丁是计算机软件系统和软件工程学中的一个术语，一般是为了对系统中的某些错误进行修正而发布的独立的软件单元。

它能够在不影响系统正常运行的情况下完成对系统错误的修正，也就是对系统进行动态升级。

基本原理就是在系统中保留一段内存空间，将新的函数实体以补丁文件的方式加载其中，根据要被替换函数的入口地址找到被替换函数的第一条执行指令，将其改为一条跳转指令，跳转地址为新函数的入口地址；这样当其他函数要调用被替换函数时，CPU根据跳转指令就会执行新的函数实体。

2.热补丁状态转换各厂商实现热补丁的基本原理大体相同，但具体实现上有一定差别，下边以H3C公司热补丁技术为例简单介绍状态机转换和各状态的作用。

补丁存在四种状态：z空闲(IDLE)：初始状态，补丁没有被加载z去激活(DEACTIVE)：补丁已经加载，但未被激活z激活(ACTIVE)：补丁处于试运行状态z运行(RUNNING)：补丁处于正式运行状态激活态与运行态的最大区别在于系统重启后，激活态的补丁转换为去激活态，不再发挥作用，而运行态的补丁在系统重启后仍然保持为运行态，继续发挥作用。

补丁的激活态主要是提供一个缓冲带，以防止因为补丁错误而导致系统连续运行故障。

补丁的状态只有在用户命令的干预下才会发生切换，命令与补丁状态的切换关系如下图所示图1 命令行与补丁状态切换对应关系4. IRF智能弹性架构IRF(Intelligent Resilient Framework)，即智能弹性架构，是创新性建设网络核心的新技术。

它将帮助用户设计和实施高可用性、高可扩展性的千兆以太网核心和汇聚主干。

运用IRF技术可以将多台三层交换机互联在一起形成一个逻辑交换实体，称为一个fabric，fabric内每一个交换机称为一个unit。

从管理和配置的角度看，一个fabric看起来就像一台交换设备；从性能角度看，分布式交换架构中的每台交换机都能针对其端口上的第二层/第三层流量通信业务制定本地转发决策。

图2IRF智能弹性架构示意图和传统的堆叠技术相比，IRF是一种更为增强的堆叠技术，在多方面进行了创新或增强，除了可以做到扩展端口、统一管理之外，IRF在高可靠性、冗余备份方面比传统堆叠有了很大提高。

IRF技术可以容许全局范围内的跨设备链路聚合，提供了全面的链路级保护。

同时，IRF技术实现了跨设备的三层路由冗余，可以支持多种单播路由协议、组播路由协议的分布式处理，真正实现了多种路由协议的热备份技术，这些方面都是传统堆叠技术难以做到的。

此外，IRF技术实现了二层协议在fabric内分布式运行，提高了堆叠内unit的利用率和可靠性，减少了设备间的协议依赖关系。

具体来说，IRF主要包括3方面的技术实现：DDM（分布式设备管理）、DDR（分布式路由）、DLA（分布式链路聚合）4.1分布式设备管理从外界看来，整个fabric是一台整体设备，用户可以通过CONSOLE、SNMP、TELNET、WEB等多种方式来管理整个fabric。

图3 整个fabric当成一台设备管理IRF技术最多可以连接8台设备组成一个fabric，无论是管理特性、还是转发特性，在用户看来，fabric就像是一台设备在运行。

既然多台设备堆叠当成一台设备运行，就要解决堆叠设备间配置不相同的问题。