高性能T比特路由器高可用性的研究與實(shí)現(xiàn)

　　隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的安全可靠越來(lái)越受到人們的重視。路由器的高可用性成為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商們關(guān)注的焦點(diǎn)。高可用性是指路由器的不間斷運(yùn)行能力，即持續(xù)操作能力。它要求路由器本身所采用的硬件和軟件系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠的性能，并且可以從軟件設(shè)計(jì)入手，實(shí)現(xiàn)一個(gè)高可用性的軟件產(chǎn)品。

　　本文以高性能T比特核心路由器為實(shí)例，探討如何通過(guò)高可用性模塊的設(shè)計(jì)保證網(wǎng)絡(luò)的高可靠性，做到處理器故障不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的連通性，更不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，從根本上解決數(shù)據(jù)中心的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。

　　1 高可用性技術(shù)

　　高可用性是指可持續(xù)的、具有一致性和完整性的數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)。高可用性系統(tǒng)通過(guò)提高服務(wù)器可靠性、磁盤(pán)可靠性、應(yīng)用程序可靠性達(dá)到高可用性的要求。可以通過(guò)共享磁盤(pán)陣列提高磁盤(pán)可靠性，使用冗余網(wǎng)絡(luò)提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，使用合作的服務(wù)器提高服務(wù)器可靠性，通過(guò)應(yīng)用程序的探測(cè)與有效恢復(fù)提高應(yīng)用程序的可靠性。

　　路由器作為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備，其高可用性至關(guān)重要。在硬件方面，路由器要有一個(gè)很好的體系結(jié)構(gòu)及各種冗余非常完善，關(guān)鍵部件如路由引擎和交換矩陣要有冗余。在軟件方面，其自身要強(qiáng)壯，另外在遇到更換硬件、系統(tǒng)升級(jí)、增加板卡和改變鏈路等網(wǎng)絡(luò)調(diào)整時(shí)，軟件要有能力保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)不受局部調(diào)整的影響，讓整個(gè)網(wǎng)絡(luò)體現(xiàn)出非常高的可用性，保證路由引擎進(jìn)行不丟包的切換。主引擎發(fā)生故障，切換到副引擎時(shí)不丟包，平滑切換，否則硬件的冗余就沒(méi)有意義，是假冗余。另外還要保證平穩(wěn)重啟。當(dāng)路由重啟時(shí)，由此產(chǎn)生的路由重新計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)范圍的路由更新會(huì)消耗掉處理資源，并有可能出現(xiàn)黑洞或瞬時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)循環(huán)形式的非預(yù)期網(wǎng)絡(luò)行為。而平穩(wěn)重啟會(huì)避免這種情況的發(fā)生。

　　根據(jù)以上要求，本文提出了一種適用于T比特路由器的主控軟件容錯(cuò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。采用硬件冗余與軟件容錯(cuò)相結(jié)合、熱備與雙工相結(jié)合的工作方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的容錯(cuò)熱備份方案，并根據(jù)該方案設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高可用性模塊。測(cè)試結(jié)果表明，采用該設(shè)計(jì)方案的主控軟件系統(tǒng)具有很好的容錯(cuò)性能和故障恢復(fù)能力，能夠滿(mǎn)足T比特路由器對(duì)主控軟件系統(tǒng)的高可用性要求。

　　2 基于高性能T比特路由器的主控軟件容錯(cuò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1 主控軟件容錯(cuò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的基本問(wèn)題

　　基于容錯(cuò)需求的考慮，當(dāng)主控系統(tǒng)出現(xiàn)軟硬件故障時(shí)路由器仍需要正常工作，故硬件配置采用1＋1冗余設(shè)計(jì)，配備主用(Active)和備用 (Standby)兩塊主控板，構(gòu)建雙主控?zé)醾淙蒎e(cuò)系統(tǒng)。當(dāng)主用主控板發(fā)生故障，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行主備切換，由備用主控板接替主用板工作，保證業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行。當(dāng)主用模塊發(fā)生嚴(yán)重故障或主用復(fù)位時(shí)，將觸發(fā)自動(dòng)倒換方式，及時(shí)倒換到備用板。這種1＋1冗余設(shè)計(jì)可擴(kuò)展到N＋1冗余設(shè)計(jì)。

　　整個(gè)切換過(guò)程對(duì)用戶(hù)透明，需要考慮的重點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)在于主備系統(tǒng)間數(shù)據(jù)庫(kù)一致性問(wèn)題、平滑切換技術(shù)的實(shí)現(xiàn)和故障監(jiān)測(cè)機(jī)制。

　　(1)數(shù)據(jù)庫(kù)一致性問(wèn)題

　　路由器主控板上記錄了系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，因此正常工作中需要進(jìn)行實(shí)時(shí)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)備份，以保證主用和備用上的數(shù)據(jù)庫(kù)一致，否則在主備切換時(shí)，備用不能正常接替主用。針對(duì)該問(wèn)題，在高可用性模塊的設(shè)計(jì)中，采用了一種雙工與熱備相結(jié)合的不完全熱備設(shè)計(jì)。需要備份的數(shù)據(jù)主要是系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的路由表項(xiàng)和轉(zhuǎn)發(fā)表表項(xiàng)。

　　雙工與熱備相結(jié)合的不完全設(shè)計(jì)是指：雙主控板上都運(yùn)行心跳探測(cè)程序用于故障探測(cè)，主用主控板上運(yùn)行路由器正常工作所需要的所有應(yīng)用程序，而備用主控板上運(yùn)行部分重要應(yīng)用程序。這些程序正常工作時(shí)與主用主控板上的程序有相同的輸入數(shù)據(jù)，但處理結(jié)果并不輸出。這樣的設(shè)計(jì)保證了路由器出現(xiàn)故障進(jìn)行切換時(shí)低耗時(shí)，減輕了需要備份的數(shù)據(jù)量，既不像完全雙工工作方式那樣浪費(fèi)資源，又避免了熱備工作方式的很多不足，性能明顯優(yōu)于純粹的熱備或者雙工方式。

　　數(shù)據(jù)備份有冷備份和熱備份兩種。冷備份是在數(shù)據(jù)庫(kù)已經(jīng)正常關(guān)閉的情況下，進(jìn)行完整數(shù)據(jù)庫(kù)的備份，是最快和最安全的方法。冷備份的最大問(wèn)題是必須在數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)閉的情況下進(jìn)行，當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)處于打開(kāi)狀態(tài)時(shí)，執(zhí)行數(shù)據(jù)庫(kù)文件系統(tǒng)備份是無(wú)效的。

　　熱備份是在數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行時(shí)，采用archivelog mode方式備份數(shù)據(jù)。有雙機(jī)鏡像和共享磁盤(pán)陣列兩種方案。雙機(jī)鏡像方案可選擇將主數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上的表、文件、數(shù)據(jù)庫(kù)或全部?jī)?nèi)容通過(guò)專(zhuān)用連接通道鏡像到備用服務(wù)器上，優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、便宜，缺點(diǎn)是降低系統(tǒng)資源。共享磁盤(pán)陣列方案為兩臺(tái)主機(jī)共用一個(gè)磁盤(pán)陣列，優(yōu)點(diǎn)是不降低系統(tǒng)性能，為目前較為流行的主流技術(shù)，但要求磁盤(pán)陣列具有較高的可靠性。