VRRP与BFD在改造大二层承载网中的应用

周玮

摘要：该文从某运营商现有的大二层网络的架构及改造需求谈起， 详细论述了针对该网络提出的改造方案以及涉及的技术难点。该方案把VRRP协议（Virtual Router Redundancy Protocol）和BFD协议（Bidirectional Forwarding Detection）有机地结合在一起，使它们协调工作，实现了把一个比较脆弱的大二层网络改造成一个相对健壮的网络的目的;并且实现了多链路的冗余备份，主链路故障后业务可以快速倒换到备份链路。该方案在现网的成功实施说明了VRRP的BFD的结合可以实现二层网络毫秒级的业务倒换.

关键词：虚拟路由器冗余协议;双向转发检测;业务倒换

中图分类号：TP393        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）14-0072-02

某电信运营商在LTE技术成熟之际决定更新原有GSM倒换WCDMA基站并大量新建LTE基站以满足用户对移动业务流量及带宽日益增长的需求。由于原有大二层承载网的限制，无法满足LTE移动业务对承载网快速倒换的需求。为了最低成本地对现有承载网进行改造以满足业务需求，经过研究与测试，最终引入了VRRP（ Virtual Router Redundancy Protocol） +BFD （Bidirectional Forwarding Detectio）的解决方案。本论文全面分析了引入此方案的原因及实现方案。

1 简要网络分析

该运营商共有3000多个站点，每个站点都有BTS（2G）基站、NodeB（3G）基站、eNodeB（4G-LTE）基站中的至少一种。

在每一个站点机房中，都有一台和基站设备共站的三层接入交换机，该三层接入交换机通过本站点的波分（DWDM，Dense Wavelength Division Multiplexing）设备接入到了DWDM网络。这台三层交换机其实只起到了二层交换机的作用。

DWDM网络是一个具有主备链路倒换功能的光波复用网络，会有从核心网到基站的业务数据流，在业务穿越DWDM网络时，会有主备两条隧道供使用：当主用隧道不可用时，业务可以通过备用隧道到达站点，保证手机业务不会中断，增强网络的健壮性。

2 運营商客户的需求

虽然DWDM网络具备自愈的功能， 可以在主用隧道不可用时快速将业务切换到备用隧道，但是核心路由器只有一台，这就意味着核心网与核心路由器之间的链路只有一条，核心路由器至DWDM网络的链路也只有一条。当这两台链路中的任何一条不可用时，全网业务便会瘫痪，所以这里隐藏着单链路故障巨大的风险。

此外，由于核心路由器只有一台，当核心路由器不可用时，全网也将处于瘫痪状态;即这里也有单点故障的巨大风险。

虽然可以通过在核心网与核心路由器之间以及核心路由与DWDM网络之间增加备用的链路解决单链路故障带来的风险，但是仍然无法解决潜在的单点故障的风险。

客户希望能够有一个解决方案，通过购买最少的设备同时化解掉这两个风险，并且要求在出现单链路故障（即某条链路不可用）或单点故障（即某台核心路由器不可用）时，业务能够快速切换到备用的设备或链路上，不会产生特别明显的丢包或业务中断。

3 方案分析

3.1 新的网络拓扑

解决单点故障风险的唯一办法就是增加核心路由器，使两台核心路由器互为备份。

新增核心路由器后必然需要在新增的核心路由与核心网和DWDM网络间新增链路，这样单链路故障的问题得以解决。为了进一步增强网络的健壮性，我们也在两台核心路由器之间设计一条互联链路。R2就是增加的一个路由器，改进后的网络拓扑图如下：

核心路由器R2是新增加的一台核心路由器。

3.2 核心网与核心路由器之间路由协议的部署

在核心网与两台核心路由器互联的设备和两台核心路由器上运行OSPF（Open Shortest Path First）路由器协议，相互交换路由信息。

核心网会通过OSPF路由协议分别从核心路由器R1和核心路由器R2上学习到两条到基站的同一个业务网段的路由，通过设置核心网设备不同端口的OSPF优先级，使核心网从核心路由器R1学习到的路由条目优先于从核心路由器R2学习到相同基站的业务网段的路由条目。这样，在正常情况下，核心网就会以核心路由器R1作为主用路由器，优先把业务流量发送给核心路由器R1。

因为核心路由器到站点之间的网络（包括DWDM部分）是纯二层网络，所以基站设备的网关只能配置在两台核心路由器上。两台核心路由器与基站之间初步考虑部署VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol，虚拟路由冗余协议）协议，核心路由器与基站之间有任何链路不可用时，通过VRRP实现基站与核心路由器之间的业务切换。

4 解决方案

约为3秒的主备倒换时间，对于承载网来说太过漫长，在这3秒的倒换时间内会有很多的业务流量得不到及时的转发，客户体验会非常差。某厂商B的路由器设备具有某些特性，完全可以提出符合客户要求的解决方案，下面提出解决方案。

4.1 VRRP的快速切换

如图2，在基站的三层交换机上配置一个与基站的网关在同一网段的IP地址，比如10.0.1.14/28，分别在两台核心路由器和三层交换机上配置如下三对BFD会话：BFD1：基于核心路由器R1上的IP地址10.0.1.2/28和三层接入交换机上的IP地址10.0.1.14/28;BFD2： 基于核心路由器R2上的IP地址10.0.1.3/28和三层接入交换机上的IP地址10.0.1.14/28;  BFD3： 基于核心路由器R1上的IP地址10.0.1.2/28和核心路由器R2上的IP地址10.0.1.3/28。由于直连路由的优先级要高于任何路由，所以BFD3会话的BFD报文其实是通过DWDM网络和三层交换机的二层通道传输的，并没有经过两台核心路由器的互联链路。

配置这三个BFD会话的目的就是为了在两台核心路由器上的三层接口上配置VRRP组时跟踪这三个BFD会话， VRRP的状态将会与这三个BFD的会话进行联动。

核心路由器R1上的VRRP跟踪BFD1和BFD3 核心路由器R2上的VRRP跟踪BFD2和BFD3。

同时也配置了两台核心路由器三层接口的VRRP状态与BFD状态进行联动，同时核心路由器R2也在150ms内检测到BFD3会话中断，但是BFD2会话依然正常，说明发生二层通道不可用的故障点在核心路由器R1与三层交换机之间，此时R2的三層接口便会迅速进入Master状态接替核心路由器R1的三层接口的作用，而不会等到3秒以后才会开始转变为Master状态。如此，业务得以快速切换。

当原来的Master路由器因为故障链路恢复而VRRP状态也恢复为Master状态时， 基站的业务仍然可以及时快速地切换到核心路由器R1上。正常情况下，即没有发生单点故障或任何链路故障时，核心网至基站的业务以核心路由器R1为主用路由器。

5 结语

大二层的承载网实现网络节点和链路的冗余备份，很有必要部署VRRP。为了解决VRRP切换慢的弊端，有必要利用BFD协议来协助VRRP得以快速切换，这种VRRP与BFD的协同解决方案并不是所有厂家的路由器都支持的，但是很有必要。

参考文献：

[1] 许圳彬.IP网络技术[M].人民邮电出版社，2018：103-135.

[2] 李昌.数据通信与网络技术[M].人民邮电出版社，2006：45-69.

[3] 张乃平.计算机网络技术[M].华南理工大学出版社，2005：39-70.

[4] 周林.计算机网络与应用[M].中国电力出版社，2007：98-123.

[5] 伯塞卡斯.数据网络[M].人民邮电出版社，2004：54-60.

[6] [美]米勒.数据通信与网络[M].王涌，等，译.清华大学出版社，2007：123-140.

[7] 威廉·斯托林斯.数据与计算机通信[M].周慧，等，译.电子工业出版社，2015：230-250.

[8] 谢希仁.计算机网络[M].电子工业出版社，2008：108-129.

[9] 伍振国.数据通信技术[M].中国铁道出版社，2009：78-96.

[10] 杨彦彬.数据通信技术[M].北京邮电大学出版社，2009：105-121.

【通联编辑：代影】