利用交换机虚拟化技术提升广播电视无线发射台站IP信源网络系统可靠性

（广西广播电视技术中心崇左分中心）

一、引言

随着社会的发展和时代的进步，人民群众对精神文化和信息资讯的需求越来越多，对数字电视播出质量的要求也越来越高，广西部分广播电视无线发射台站的IP信源系统也因此采用了双信源交换机和双IP复用器的硬件互备方案，能有效减少因单节点故障造成的停播，但主备信源设备独立运行，冗余度不高、可靠性差。而由于使用传统网络架构的原因，即便增加链路提高冗余度和可靠性，也会因此提升IP信源系统的复杂度。因此，运用新技术改变原有网络架构确保冗余度的前提下提升系统可靠性、简化运维管理的需求日渐凸显。

二、传统网络架构的缺陷

为了便于理解网络系统架构和直观地分析某些故障对网络系统造成的影响，本文仅针对有IP光纤信源但无数字微波信源的台站进行分析和说明。IP信源系统的核心是三层交换机，用于接收由光纤传输至台站的IP组播节目码流并送至IP复用器，由IP复用器解出组播中的节目信息再重新打包分配至各数字电视发射机。IP信源系统的两台三层交换机以传统网络架构进行部署，存在以下缺点：

（一）设备利用率低

主备信源设备独立运行，若主用光纤信号中断或主用三层交换机用于接收组播的光模块出现故障，主用IP复器将接收不到IP组播信号而被迫处于闲置状态，系统冗余度低，设备利用率不高，如图1所示。

（二）增加系统复杂度和运维难度

图2 传统网络架构增加系统复杂度

为了解决上述问题，提高网络系统的冗余度,增加冗余备份链路将双交换机与双IP复用器两两互联,起到冗余备份作用。而采用传统构架的网络系统此时须配置VRRP和STP协议，阻断一半链路以确保不会因环路产生而导致整个网络系统崩溃，由此增加了网络系统的复杂度。而正常情况下其中一台交换机必定处于闲置状态，如图2所示。

且两交换机须各自运行不同的配置文件，每台设备需要单独进行配置和管理，增加了运维难度。

（三）出现故障时网络收敛慢

主用光纤链路或主用三层交换机出现故障时，VRRP协议启用备用交换机进行数据转发，但因拓扑发生变化导致STP协议需要60秒左右的时间重新计算生成树以恢复此前阻断的链路，即便使用快速生成树协议，也存在30秒左右的链路倒换过程造成节目中断，用户体验不佳。

三、网络设备虚拟化架构的优势

IRF是H3C公司自主研发的第二代智能弹性架构，是一种新型的网络设备虚拟化技术，将多台设备连接在一起，虚拟化为一台逻辑上统一的设备，主要目的是集合多台设备的硬件资源和软件处理能力，实现协同工作并进行统一管理[1]。下面将结合实际，分析IRF架构的优势。

（一）有效提升设备可用性

以尚未增加冗余链路的IP信源网络系统为基础，只需在两台交换机上分别增加一个万兆光模块并使用光纤跳线连接，进行必要的IRF配置即可形成一个最简单的IRF架构的网络。虽然IRF架构中两台交换机也区分主设备和从设备，主设备负责IRF架构的运行和管理，但主从设备均同时进行数据转发等业务处理，两台交换机可视为同一台交换机上的两块不同业务板卡。依旧以主路光纤信源中断为例，此时主备光纤信源所对应的两个光口已等同为一台交换机上的两个接口，备用信源的组播信号仍可正常传输至主用IP复用器，如图3所示。

图3 IRF虚拟化架构提升设备可用性

（二）不增加网络系统复杂度的同时提升可靠性

同样在此基础上增加冗余链路，此时任意一台IP复用器的两个网口均正常接收来至主用和备用光纤链路的IP组播，有效提升了链路利用率。若其中一台交换机出现故障不能正常运行，IRF架构迅速分裂使另一台交换机独立运行，此时两台IP复用器仍可接收到一路光纤信源组播节目信号，如图4所示，这个分裂过程十分短暂不会造成太大的网络延迟，提升了IP信源网络系统的设备级可靠性。

图4 IRF架构提升网络系统可靠性

（三）降低运维难度

IRF虚拟化架构仅需增加一对万兆光模块以及若干互联用的光纤跳线和网线即可部署，在工业水平高度发展的今天，这项成本十分低廉。IRF虚拟化技术将两台或多台交换机在逻辑上形成一台核心交换设备，仅运行一份配置文件，可进行统一管理，降低了维护难度。

四、IRF虚拟化技术在广播电视无线发射台站的应用

下面将以广西某地的广播电视无线发射台站为例，阐述IRF虚拟化架构在IP信源系统上的部署。

（一）设备的物理连接

以使用两台H3C LS-5560-34C-EI交换机作主备信源三层交换机为例，依照图5进行设备的物理连接，将一对万兆光模块分别插入两台交换机的闲置SFP+光口并使用光纤跳线连接作为IRF link，该链路是形成虚拟化架构的关键。使用网线完成交换机与IP复用器的全连接。

图5 部署IRF之设备物理连接

（二）配置IRF

1.配置交换机A

手动关闭即将作为IRF链路接口的光口，配置其成为IRF 1/1接口后恢复启用该光口，并使用“irf-portconfiguration active”命令激活IRF配置使之生效。

2.配置交换机B

修改交换机B的IRF成员编号为“2”并重启，重启完成后交换机的各接口编号由“1/0/x”变更为“2/0/x”，参照交换机A的配置方法完成交换机B的IRF链路配置并激活生效。

3.确立设备角色

进行上述配置后，两台交换机自动进行角色竞选，竞选成功的成为主设备，负责管理维护整个IRF架构以及进行流量转发等职能，竞选失败则为从设备仅负责流量转发。

4.链路聚合配置

为防止环路产生，须对两条光纤信源链路进行配置，使之成为一条动态聚合链路，同时工作又能相互备份。

5.IRF状态检测机制

LACP MAD检测机制主要作用是一旦因IRF link故障发生IRF分裂，可触发一个机制及时阻断一些链路避免形成环路引发广播风暴。可将两台三层交换机连接至路由交换机的两条链路作为LACP MAD检测链路，配置为动态聚合链路并启用MAD功能即可。

6. IP复用器配置

分别配置两台IP复用器，打开主千兆网卡组1（网口1-网口3）备份开关，备份模式选择“主路优先”，切换条件选择“有效码率为0”。目的是将IP复用器的网口3作为网口1的镜像备份接口，当网口1无有效节目码流时自动切换网口3接收码流恢复节目输出。

五、 IRF可靠性测试

（一）IRF可靠性测试方案

通过人为干预设备及其接口的通断，模拟实际运行过程中可能出现的光纤链路中断、光模块故障和交换机断电等故障[2]，并使用码流分析仪检测节目码流恢复正常所需的时长，以验证IP信源网络系统的可靠性。使用信号线将主用IP复用器的ASI输出接口连接至码流分析仪，进行如下测试并记录节目信号的中断时长：

1.光纤信源链路中断测试：拔出一路光纤信源接口模块上的光纤跳线。

2.交换机断电测试：拔出一台交换机电源模块上的电源线。

（二）可靠性测试结果

经过多次重复测试，任何一路光纤链路中断并不会对IP复用器的输出造成丝毫影响，节目画面始终流畅；即便是一台交换机断电的极端的情况下，信号源仅中断1.7秒，在数字电视发射机的激励器还未作出切换动作时，节目信号就已经恢复正常，有效提升观众的收看体验。交换机断电后信源中断时长如图6所示，点线图中间平直的部分表明节目信号中断，每小格表示100毫秒。

此时依然保持主备IP复用器的冗余备份，有效提高了设备的可用性和系统的可靠性。而在原网络架构上进行如上测试时，则发射机端不可避免地发生激励器的切换动作，造成电视画面长时间黑屏。

图6 交换机断电测试信源中断时长

六、 结语

将交换机虚拟化技术应用于广播电视无线发射台站IP信源网络系统，可有效降低因单路光纤链路或单台设备故障造成的组播节目信号中断时长，大幅度提升了台站IP信源系统的可靠性，有效提高了数字电视节目的安全播出保障能力。本文仅简单测试了IRF的链路级和设备级可靠性，意在抛砖引玉，网络设备虚拟化技术的诸多优势值得我们继续深入发掘和推广。