高性能T比特路由器高可用性的研究與實現(xiàn)

　　隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的安全可靠越來越受到人們的重視。路由器的高可用性成為網(wǎng)絡(luò)運營商們關(guān)注的焦點。高可用性是指路由器的不間斷運行能力，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)計入手，實現(xiàn)一個高可用性的軟件產(chǎn)品。

　　本文以高性能T比特核心路由器為實例，探討如何通過高可用性模塊的設(shè)計保證網(wǎng)絡(luò)的高可靠性，做到處理器故障不會影響網(wǎng)絡(luò)的連通性，更不會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，從根本上解決數(shù)據(jù)中心的風(fēng)險問題。

　　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)訪問。高可用性系統(tǒng)通過提高服務(wù)器可靠性、磁盤可靠性、應(yīng)用程序可靠性達到高可用性的要求?？梢酝ㄟ^共享磁盤陣列提高磁盤可靠性，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，通過應(yīng)用程序的探測與有效恢復(fù)提高應(yīng)用程序的可靠性。

　　路由器作為計算機網(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，其自身要強壯，另外在遇到更換硬件、系統(tǒng)升級、增加板卡和改變鏈路等網(wǎng)絡(luò)調(diào)整時，軟件要有能力保證整個網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)不受局部調(diào)整的影響，讓整個網(wǎng)絡(luò)體現(xiàn)出非常高的可用性，保證路由引擎進行不丟包的切換。主引擎發(fā)生故障，切換到副引擎時不丟包，平滑切換，否則硬件的冗余就沒有意義，是假冗余。另外還要保證平穩(wěn)重啟。當(dāng)路由重啟時，由此產(chǎn)生的路由重新計算和網(wǎng)絡(luò)范圍的路由更新會消耗掉處理資源，并有可能出現(xiàn)黑洞或瞬時轉(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系統(tǒng)設(shè)計方案。采用硬件冗余與軟件容錯相結(jié)合、熱備與雙工相結(jié)合的工作方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的容錯熱備份方案，并根據(jù)該方案設(shè)計實現(xiàn)了高可用性模塊。測試結(jié)果表明，采用該設(shè)計方案的主控軟件系統(tǒng)具有很好的容錯性能和故障恢復(fù)能力，能夠滿足T比特路由器對主控軟件系統(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系統(tǒng)設(shè)計

　　2.1 主控軟件容錯系統(tǒng)設(shè)計中的基本問題

　　基于容錯需求的考慮，當(dāng)主控系統(tǒng)出現(xiàn)軟硬件故障時路由器仍需要正常工作，故硬件配置采用1＋1冗余設(shè)計，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系統(tǒng)。當(dāng)主用主控板發(fā)生故障，系統(tǒng)自動進行主備切換，由備用主控板接替主用板工作，保證業(yè)務(wù)的正常運行。當(dāng)主用模塊發(fā)生嚴重故障或主用復(fù)位時，將觸發(fā)自動倒換方式，及時倒換到備用板。這種1＋1冗余設(shè)計可擴展到N＋1冗余設(shè)計。

　　整個切換過程對用戶透明，需要考慮的重點和實現(xiàn)的難點在于主備系統(tǒng)間數(shù)據(jù)庫一致性問題、平滑切換技術(shù)的實現(xiàn)和故障監(jiān)測機制。

　　(1)數(shù)據(jù)庫一致性問題

　　路由器主控板上記錄了系統(tǒng)實時運行數(shù)據(jù)，因此正常工作中需要進行實時的系統(tǒng)數(shù)據(jù)備份，以保證主用和備用上的數(shù)據(jù)庫一致，否則在主備切換時，備用不能正常接替主用。針對該問題，在高可用性模塊的設(shè)計中，采用了一種雙工與熱備相結(jié)合的不完全熱備設(shè)計。需要備份的數(shù)據(jù)主要是系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的路由表項和轉(zhuǎn)發(fā)表表項。

　　雙工與熱備相結(jié)合的不完全設(shè)計是指：雙主控板上都運行心跳探測程序用于故障探測，主用主控板上運行路由器正常工作所需要的所有應(yīng)用程序，而備用主控板上運行部分重要應(yīng)用程序。這些程序正常工作時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)計保證了路由器出現(xiàn)故障進行切換時低耗時，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)庫已經(jīng)正常關(guān)閉的情況下，進行完整數(shù)據(jù)庫的備份，是最快和最安全的方法。冷備份的最大問題是必須在數(shù)據(jù)庫關(guān)閉的情況下進行，當(dāng)數(shù)據(jù)庫處于打開狀態(tài)時，執(zhí)行數(shù)據(jù)庫文件系統(tǒng)備份是無效的。

　　熱備份是在數(shù)據(jù)庫運行時，采用archivelog mode方式備份數(shù)據(jù)。有雙機鏡像和共享磁盤陣列兩種方案。雙機鏡像方案可選擇將主數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上的表、文件、數(shù)據(jù)庫或全部內(nèi)容通過專用連接通道鏡像到備用服務(wù)器上，優(yōu)點是簡單、便宜，缺點是降低系統(tǒng)資源。共享磁盤陣列方案為兩臺主機共用一個磁盤陣列，優(yōu)點是不降低系統(tǒng)性能，為目前較為流行的主流技術(shù)，但要求磁盤陣列具有較高的可靠性。