高性能T比特路由器高可用性的研究与实现

行过程中不可能定时关闭数据库来备份数据，更不可能在路由器出现故障时再备份数据。因此采用热备份。鉴于要备份的数据量不大，不必采取双机镜像和共享磁盘阵列方式。在本设计中采用了一种新型的数据热备份方式：将需要备份的数据以日志文件的形式存 储，通过TCP传输方法将文件转化为数据流由主用主控板备份到备用主控板上，实现实时备份。面向连接的TCP 传输可靠且速度快，丢失文件的概率极校

　　(2)切换延时问题

　　路由器主控系统出现故障时，要能够对用户透明地进行主备切换，就要实现系统间的无缝切换，减少切换过程中的时延并降低数据丢失率。无缝切换是一种完美的切换，包括快速切换和平滑切换两方面。快速切换意味着低延迟，平滑切换就是低的数据包丢失率，无缝切换是两者的结合，即低延迟和低丢失率。对于快速切换，要求在单板掉链之前完成切换过程，使备用主控板接替主用主控板的工作，保证路由器中的各个流程正常工作不受主控故障的影响，使网络正常运行。对于平滑切换，有两点要求：一是切换时，主备用主控板上的数据库是一致的；二是在主备用数据库一致的基础上，备用主控板启用后能在规定的时间内完成备份数据的导入。所谓规定的时间，也包含在切换的总时间内，切换时间＝发现故障时间＋启用切换时间＋故障接管时间。

　　(3)故障监测机制

　　系统中的两块主控板，经过主备协商后确定主备地位，一块为Master状态，控制整个系统；另一块为Slave状态，处于备份状态。两块主控板之间通过UDP传输心跳报文交互自身的状态数据，以识别主控的软/硬件故障。路由器正常运行时，主用和备用主控板之间定时发送keepalive报文进行心跳探测，报文内容中包含了自身的状态信息。备用主控板在定时器到期前未收到来自主用主控板的keepalive报文就认为主用主控板失效，进入主备切换，备用主控板成为新主用，自动接管原主用主控板的服务程序，继续提供服务。原主用主控板从故障中恢复或被更换后，会重新发送协商报文，与新主用主控板取得联系，成为新备用主控板，而不必再进行一次切换，节省了系统资源。

　　2.2 高可用性模块的设计及实现

　　在主控软件容错系统设计中，采用了两块主控板挂载八块单板。两块主控板之间通过面向无连接的UDP通信机制交互心跳数据，通过面向连接的TCP通信机制传输备份文件数据流；主控板与单板之间通过高速以太网连接。图1给出了该系统的总体结构图。

　　按照功能的不同，在设计方案中将高可用性模块划分为三个子模块：AS通信模块、AS系统监控模块和AS keepalive模块，如图2所示。

　　AS通信模块负责主控系统上高可用性模块与系统数据维护模块(SYSDATA)和板间通信模块(BDCOM)间的通信、数据备份和TCP传输。

　　AS监控模块负责主控软件各个系统进程的监控、维护、管理等核心功能。当某个软件占CPU使用百分比过大时，则认为该主控软件运行不正常，根据该软件的运行规则和重要性选择恢复策略，重启该进程或者进入主备切换。

　　AS keepalive模块负责两块主控板之间的主备协商，确定主控板的主备地位；在路由器正常运行过程中，定时向对方主控板发送keepalive报文进行心跳探测；针对网络拥塞可能导致的丢包以及CPU排队处理多线程时可能超时处理keepalive报文造成的主用主控板"假死"现象，采用再协商(Re- negotiation)技术，在超时收不到对方主控板发送的keepalive报文时不直接认为对方主控板故障，而是进行一次退避，与对方发送协商报文进行再协商。再协商与初始化过程中的主备协商不完全相同。Re-negotiation技术与通常采用的单纯固定不变的心跳探测技术相比，可以更好地提高系统心跳环境的适应能力和稳定性，更好地保证系统的高可用性。

　　2.3 AS系统设计的特点

　　(1) 整个AS系统的设计采用层次与模块相结合的结构模型，克服了软、硬件分离和脱节的问题，提高系统的灵活性和可移植性。模型的每一层均可以看作是一个相对独立的系统。在每一层中又按照系统功能，划分不同的功能模块。各个模块之间独立工作，完成不同的功能，降低故障的概率。

　　(2)硬软件相结合实现主控板的热备份容错。

　　(3)采用热备与双工相结合的设计，系统切换时间短，平均切换时间为0.8秒。

　　(4)切换过程中对用户透明，无需重新启动主控板，对故障板支持热插拔，方便维修。

(5)系统工作效率高。整个系统中，各个子模块分工合作，数据备份及传输由AS通信模块通过消息队列和TCP传输完成。主控系统软件的监控和部分软件的出错重启由AS监控模块完成。AS keepalive模块用UDP传输进行主备间的心跳监测通信，且在交互的心跳报文中包