摘 要：針對(duì)路由器高可用性" title="高可用性">高可用性系統(tǒng)中心跳探測(cè)模塊的常見(jiàn)問(wèn)題，提出一套新型基于網(wǎng)絡(luò)層" title="網(wǎng)絡(luò)層">網(wǎng)絡(luò)層自動(dòng)調(diào)頻的心跳探測(cè)方案。該方案采用雙心跳線，結(jié)合動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)探測(cè)周期的方法，并在網(wǎng)絡(luò)層中實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：高可用性? 心跳? 網(wǎng)絡(luò)層

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??? 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)生產(chǎn)和生活的基礎(chǔ)設(shè)施，而核心路由器作為網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵結(jié)點(diǎn)，能否保證服務(wù)的可靠性和穩(wěn)定性是一個(gè)極為重要的問(wèn)題。核心路由器一般承擔(dān)著骨干網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)，如果發(fā)生致命故障，將導(dǎo)致大面積網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失也是巨大的。
　　一般的解決方法是采用雙機(jī)熱備的主從切換方式，如CISCO的HRSP協(xié)議所介紹的一種方法，由一臺(tái)active路由器和standby路由器組來(lái)承擔(dān)高可靠性。而本文討論的是核心路由器如何解決主備主控板的切換來(lái)保證高可靠性的問(wèn)題。這樣就產(chǎn)生了一個(gè)問(wèn)題，即如何設(shè)計(jì)一種及時(shí)且準(zhǔn)確的探測(cè)機(jī)制來(lái)發(fā)現(xiàn)主控板故障，這是能否實(shí)現(xiàn)主備切換的基礎(chǔ)。
? ? 本文就已有的心跳（Heartbeat）探測(cè)機(jī)制存在的優(yōu)點(diǎn)和不足進(jìn)行討論，并設(shè)計(jì)了一種基于網(wǎng)絡(luò)層的可自動(dòng)調(diào)頻心跳保障模型。
1 Heartbeat介紹
　　Heartbeat網(wǎng)絡(luò)是故障發(fā)生時(shí)系統(tǒng)間的通信通道。簡(jiǎn)單地說(shuō)，系統(tǒng)通過(guò)心跳網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行周期性的問(wèn)候信息交流。系統(tǒng)在正常情況下，備用處理器發(fā)送信息詢問(wèn)主用處理器的健康狀況，主用處理器同樣發(fā)送心跳探測(cè)包來(lái)確定備用處理器是否隨時(shí)處于等待狀態(tài)。如果備用處理器在限定的周期內(nèi)未收到主用處理器的探測(cè)包，則表明主用處理器發(fā)生故障，它會(huì)自動(dòng)接管主用處理器的IP地址和各種應(yīng)用服務(wù)，成為新的主用處理器。當(dāng)失效處理器恢復(fù)正常后，重新發(fā)狀態(tài)信息給新的主用處理器，要求其成為備用處理器。
　　現(xiàn)有的心跳網(wǎng)絡(luò)連接方式多借助于RS232串行線路和以太網(wǎng)方式。由于心跳網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量要小，但對(duì)其可靠性要求很高，即零丟包率，否則連續(xù)的數(shù)據(jù)丟失會(huì)引起對(duì)方處理器誤認(rèn)為其宕機(jī)。因以太網(wǎng)價(jià)格低廉、應(yīng)用廣泛、不需要特殊的電纜和硬件設(shè)備，所以通常被推薦用來(lái)實(shí)現(xiàn)心跳網(wǎng)絡(luò)。此外其他網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)也沒(méi)有其傳輸可靠性高。對(duì)于傳輸大量數(shù)據(jù)流的情況，推薦使用快速傳輸網(wǎng)絡(luò)，但是心跳數(shù)據(jù)信息相對(duì)較小，現(xiàn)有Heartbeat探測(cè)主要存在以下問(wèn)題。
　　(1) 硬件問(wèn)題造成的誤判
??? 主從雙處理器的設(shè)計(jì)目的是為了避免SPOF（單點(diǎn)故障）造成停機(jī)。而心跳線同樣可以成為SPOF。當(dāng)處理器收不到對(duì)方的心跳信息時(shí)，故障原因分為兩種，一種是主處理器軟硬件的故障；另一種可能是心跳線路自身的故障。對(duì)于前一種情況確實(shí)應(yīng)該觸發(fā)主備切換措施，而第二種情況可能會(huì)造成系統(tǒng)誤判而進(jìn)行主備切換，主備處理器切換必然要造成路由器短時(shí)間的異常工作，所以確定故障的原因比較困難。
　? (2) 心跳周期難以設(shè)定
????作為判斷故障的心跳模塊自身必須可靠穩(wěn)定，所以一般設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單。而心跳周期長(zhǎng)度一般采用人為設(shè)置，但是這個(gè)周期是否合理？即是否可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，且其發(fā)送探測(cè)的頻率過(guò)高又不會(huì)造成多余的系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。以上兩個(gè)相互制約的因素都是高可用性要考慮的問(wèn)題。
??? 在實(shí)際應(yīng)用中，心跳網(wǎng)絡(luò)一般處于變化的請(qǐng)求服務(wù)中，如果系統(tǒng)采用固定心跳周期，有可能弱化系統(tǒng)的可用性;如果周期過(guò)短，處理器需要頻繁處理心跳探測(cè)數(shù)據(jù)，影響了系統(tǒng)的效率；如果周期過(guò)長(zhǎng)，在故障發(fā)生時(shí)，從處理器可能沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)探測(cè)心跳未到達(dá)而延誤觸發(fā)主備切換模塊，造成的網(wǎng)絡(luò)癱瘓更與高可用性的要求背道而馳。
?? (3) 心跳鏈路" title="鏈路">鏈路采用套接字以TCP/UDP方式的傳輸機(jī)制造成較大的時(shí)延
??? 作為對(duì)實(shí)時(shí)性" title="實(shí)時(shí)性">實(shí)時(shí)性和可靠性有雙重要求的心跳鏈路，多數(shù)方案都在應(yīng)用層" title="應(yīng)用層">應(yīng)用層利用SOCKET以UDP或TCP報(bào)文方式實(shí)現(xiàn)心跳協(xié)議。其中UDP報(bào)文比TCP報(bào)文簡(jiǎn)短，正好符合心跳協(xié)議的要求。由于UDP沒(méi)有擁塞控制，所以心跳網(wǎng)絡(luò)如果出現(xiàn)擁塞，UDP會(huì)丟棄一些數(shù)據(jù)包，但不會(huì)影響處理器發(fā)送心跳的速率，同時(shí)也帶來(lái)不可靠傳輸?shù)膯?wèn)題。如果網(wǎng)絡(luò)在擁塞情況下會(huì)丟失一些數(shù)據(jù)包，這對(duì)于零丟包率的心跳檢測(cè)將造成很大影響。
　　在傳輸速率問(wèn)題上，無(wú)論對(duì)于TCP還是UDP的套接字，實(shí)現(xiàn)方式都在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)，即心跳報(bào)文要經(jīng)過(guò)傳輸層、內(nèi)核及接口，并受到應(yīng)用層任務(wù)切換的影響，這樣會(huì)導(dǎo)致切換時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)秒，難以滿足實(shí)時(shí)性的要求。
　　在可靠性問(wèn)題上，如果是單對(duì)心跳網(wǎng)絡(luò)，則可以對(duì)探測(cè)包進(jìn)行編號(hào)，并利用判別機(jī)制裁決。忽略收到非連續(xù)編號(hào)的數(shù)據(jù)包的情況，判斷因?yàn)樾奶W(wǎng)絡(luò)擁塞所致，而不影響心跳信任級(jí)別的周期。但如果采用雙心跳線網(wǎng)絡(luò)，在兩條鏈路上同時(shí)出現(xiàn)擁塞情況的可能性較小，因而避免了由于不可靠傳輸造成的誤判。
2 自動(dòng)調(diào)頻雙心跳保障模型設(shè)計(jì)方案
????根據(jù)上述在心跳探測(cè)技術(shù)中出現(xiàn)的問(wèn)題，筆者提出一種基于網(wǎng)絡(luò)層的自動(dòng)調(diào)頻雙心跳保障方案。此方案流程如圖1，圖中的報(bào)文類(lèi)型見(jiàn)表1。

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????在路由器啟動(dòng)后，兩塊處理器均屬于初始狀態(tài)，這時(shí)尚未確定active和standby。首先僅在一條心跳線上啟動(dòng)主備協(xié)商機(jī)制。要求主備協(xié)商機(jī)制要簡(jiǎn)約，因?yàn)樵谶@里沒(méi)有必要設(shè)計(jì)復(fù)雜的算法選出主用。因而采取比較兩處理板IP地址大小的判決方法，通過(guò)互發(fā)心跳探測(cè)報(bào)文，比較IP ADDR值，較小的為主處理器，進(jìn)入active狀態(tài)；較大的為備用處理器，進(jìn)入standby狀態(tài)。
????在確定了主備用地位的同時(shí)，向?qū)Ψ酵ǜ孀约旱纳矸荨＿@時(shí)啟動(dòng)雙心跳線，備用一方發(fā)送心跳探測(cè)報(bào)文監(jiān)控主用的工作是否正常；主用收到探測(cè)報(bào)文進(jìn)行回復(fù)。備用在工作時(shí)要根據(jù)主用發(fā)送回復(fù)的周期值，計(jì)算出系統(tǒng)最合適的心跳探測(cè)頻率，后文將詳細(xì)介紹。為了避免由于心跳線發(fā)生故障造成的誤判，如果備用只收到來(lái)自一條心跳線的回復(fù)報(bào)文，則由故障判別機(jī)制來(lái)確認(rèn)主用工作正常。
??? 報(bào)文類(lèi)型：00為主備協(xié)商報(bào)文，DATA域攜帶處理器IP地址；01為主備確定報(bào)文，DATA域攜帶裁決結(jié)果；10為心跳探測(cè)報(bào)文，standby→active，要求active給確認(rèn)；11為心跳回應(yīng)報(bào)文，active→standby，告訴standby自己正常。
2．1 雙心跳網(wǎng)絡(luò)探測(cè)機(jī)制及故障辨別機(jī)制
　　分別由兩個(gè)進(jìn)程各自控制兩條心跳線路上的心跳數(shù)據(jù)發(fā)送，由故障判別機(jī)制判斷處理器的工作狀態(tài)。例如，若從處理器收到來(lái)自兩條鏈路的心跳信息，則判斷主處理器為正常工作狀態(tài)；若從處理器只收到一條鏈路上的心跳信息，則判斷主處理器工作正常，且心跳線故障，不觸發(fā)主備切換模塊；若從處理器未收到任意一條線路的心跳信息，則判斷主處理器失效，觸發(fā)主備切換模塊。此設(shè)計(jì)雖然增加了實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，但卻解決了實(shí)際工程中接口松動(dòng)等問(wèn)題造成的系統(tǒng)誤判和不必要的消耗。雙心跳網(wǎng)絡(luò)探測(cè)機(jī)制如圖2所示。

　　以上設(shè)計(jì)的方案在ACR路由器的主控支撐軟件主備切換模塊中，已成為心跳探測(cè)機(jī)制工作中關(guān)鍵的一環(huán)。實(shí)踐證明，此方案不僅在發(fā)現(xiàn)故障上實(shí)現(xiàn)了最低延遲，同時(shí)將誤判率降至最低，為主備切換做好了基礎(chǔ)性工作。從而為保證系統(tǒng)可靠性提供了前提。但在實(shí)現(xiàn)時(shí)增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，因此如何設(shè)計(jì)一個(gè)高效、準(zhǔn)確且實(shí)用的心跳協(xié)議仍是雙機(jī)熱備系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需認(rèn)真考慮的關(guān)鍵問(wèn)題之一。
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