基于VRRP特性增强技术的气象数据/视频传输网络通信系统
2012-05-17施蔚然杨志勇朱添福
施蔚然 高 攀 杨志勇 朱添福
基于VRRP特性增强技术的气象数据/视频传输网络通信系统
施蔚然 高 攀 杨志勇 朱添福
福建省气象信息中心
通过分析全省气象业务系统对骨干通信网络的需求，针对存在的问题，于2011年底到2012年初实现省-地、地-县骨干网的优化和升级。利用VRRP特性增强技术，实现链路的快速检测和VRRP的快速切换，从而提高气象骨干网数据/视频传输及时性和可靠性。
VRRP 数据 视频 网络 通信
随着各类气象业务的迅速发展以及对气象数据传输业务及时性和可靠性要求的不断提高，优化升级省-地、地-县的骨干通信网络系统，实现双链路双路由架构，可以提高系统容错能力和故障恢复速度，能够较好地满足客户对网络带宽和连通性的需求，提高全省气象通信骨干网的可靠性和可及时性，基本满足未来一段时间对数据传输、资料共享、监测预警、高清视频会商、远程培训、管理信息传输等多样化的需求，为省、市、县三级气象信息共享应用、高清视频天气会商提供有力支撑。
1 骨干网系统现状及存在的问题
福建省气象宽带骨干网系统包括一个省中心，九个地市及地市所辖的61个县级气象局、16个观测场、4个雷达站，经过多年的建设和发展，在气象业务传输中发挥着越来越重要的作用，但还需要不断完善。2011年底全省（省到市、市到县）气象通信骨干通信网优化升级前，在省中心两台核心交换机间通过10GE端口互连，采用VRRP配置，实现核心交换机的冗余热备。核心、汇聚路由器的下联均采用点到点的链接模式，设备端口需求大，连线复杂；省－市骨干网采用两条4M SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步数字体系），两条8M基于MPLS（multi-protocollabelswitch，多协议链路交换）技术的VPN（Virtual Private Network，虚拟专用网络）线路和一台汇聚路由器组网，每两条链路分别连接到两台核心路由器；市－县采用一条SDH 2M链路和一台接入路由器组网。
骨干网中的地市/县级采用单路由器接入，存在单点故障的隐患；SDH链路虽然稳定性较强，但扩展性较差；不同需求的业务没有分类和进行QoS（Quality of Service，服务质量）配置，线路带宽利用不均衡；市－县标清会商系统承载在政务网或互联网上，不便于管理和调度，市－县2M线路带宽成为高清视频/预报业务发展的瓶颈；迫切要求提升市－县线路带宽，优化省－市、市-县通信系统，实现网络设备间、通信线路间的自动热备切换，提高全省气象通信骨干网的可靠性和可扩展性。
2 关键技术概述
2.1 虚拟路由器冗余协议（VRRP）
VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol，虚拟路由器冗余协议）是一种冗余备份协议，为具有组播或广播能力的局域网（如以太网）设计，保证当局域网内主机的下一跳路由器/交换机设备出现故障时，可以及时地由另一台路由器/交换机来代替，从而保持网络通信的连续性和可靠性。
2.2 双向转发检测（BFD）
BFD（Bidirectional Forwarding Detection，双向转发检测）是对传统的VRRP协议进行优化和增强，实现快速切换的技术。应用BFD机制对VRRP与BFD进行绑定提升优先级等两大关键技术，可用于快速检测、监控网络中链路或者IP路由的转发连通状况，保证邻居之间能够快速检测到通信故障，减少故障收敛时间，从而快速建立起备用通道恢复通信，实现VRRP的快速切换。
2.3 MSTP
MSTP（Multi-Service Transfer Platform，基于SDH的多业务传送平台）技术是在传统的SDH设备上增加了以太网和ATM业务的接入、处理、传送能力，其技术定位在融合TDM和以太网二层交换，通过二层交换实现数据的智能控制和管理，优化数据在SDH通道中的传输，并有效解决ADM/DXC设备业务单一和带宽固定、ATM设备价格昂贵以及IP设备组网能力有限和QoS问题。
该技术充分利用SDH技术对传输业务数据流提供保护恢复能力和较小的延时性能，其效率高于传统的多链路捆绑，是基础网络建设的主流技术和性价比较高的组网模式。
2.4 最短路径优先协议
OSPF（Open Shortest Path First，开放式最短路径优先协议）是一种内部网关协议，通过路由器之间通告网络接口的状态来建立链路状态数据库，生成最短路径树，每个OSPF路由器使用这些最短路径构造路由表。
2.5 服务质量
QoS是网络的一种安全机制，是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。对关键应用和多媒体应用十分必要，当网络过载或拥塞时，QoS 能确保重要业务量不受延迟或丢弃，同时保证网络的高效运行。
4 数据/视频网络通信系统
鉴于MSTP线路具有SDH线路的优点，且扩展能力较好，将全省SDH线路替换为MSTP线路，省中心核心、地市汇聚路由器均采用点到多点的链接模式，简化了设备接口。扩容优化后省－市骨干网采用3条8M线路和2台汇聚路由器组网，采用VRRP配置；核心/汇聚路由器1配置为：MSTP 8M和MPLS VPN 8M为主接入路由器，分别承载视频和业务数据；核心/汇聚路由器2配置为：MPLS VPN 8M为主接入路由器，2台核心/汇聚路由器间互连，视频会商系统/数据业务传输系统通过交换机接入，实现冗余备份。
市－县采用两条4M链路、两台接入路由器、一台交换机组网，采用VRRP配置，汇聚/接入路由器1配置为：MSTP 4M为主接入路由器，主要承载视频业务，汇聚/接入路由器2配置为：MPLS VPN 4M为主接入路由器，主要承载数据业务，两台汇聚路由器间互连，视频会商系统/数据业务传输系统通过交换机接入，实现冗余备份。
采用MSTP/MPLS VPN方式接入后，可能会出现网络中间链路故障而两侧的以太接口可能还处于假UP的状态，因此需要配置OSPF与BFD联动，配置Track与策略路由、静态路由联动，实现链路检测线路快速切换，同时保证数据传输的往返路径一致。
为了有效利用线路带宽资源，满足高清会商的基本要求，实现线路互备，同时避免短时突发数据流影响，确保基本业务正常运行，分别在MSTP线路和MPLS VPN线路上配置QoS策略。使用基于类的队列（Class Based Queuing）排队机制，来区别对待不同的通信类，使之得到一定比例的带宽或可用带宽权重比。
图1 优化扩容后骨干网拓扑图
4 技术路线
4.1 IP地址规划
在使用VRRP协议时，需要在路由器上配置虚拟路由器号和虚拟IP地址，增加视频业务网段，数据传输业务和视频会商系统划分在不同的网段，同时对各市、县的局域网核心交换机与路由器、视频终端的连接端口做了规范，便于系统的维护和管理。
各地市局32个C 类地址段中最后1个C类为市本地局域网地址；按各市局本网段范围内从低到高的第3个C类前16个地址为视频业务地址；各地市所辖县8个C类地址段中从低到高最后1个为县局局域网地址；从低到高的第2个C类地址段前16个地址为视频业务地址。
4.2 路由规划
除视频会商系统采用静态路由，全网采用OSPF动态路由协议和VRRP技术，每一地市局分属于独立的Area。利用MSTP线路低时延、低抖动的特点，保证视频会商和雷达传输业务。当视频会商业务开展时，采用MSTP链路优先承载视频会商业务，MPLS VPN链路作为视频会商业务的备用承载链路，业务数据传输主要由MPLS VPN线路承担，当网内不存在视频会商业务时，两条链路均可用于承载数据业务；通过配置策略路由（Policy Routing）、Track功能及QoS等，实现多条链路负载均衡，提高网络系统的可靠性。
地市级汇聚路由配置举例如下：
#局域网交换机接口配置，OSPF与BFD联动，启用VRRP，配置策略路由
interface GigabitEthernet3/0/0
port link-mode route
ip address 10.141.*.2 255.255.255.0
ospf cost 20
ospf bfd enable
bfd min-transmit-interval 200
bfd min-receive-interval 200
bfd min-echo-receive-interval 200
vrrp vrid 1 virtual-ip 10.141.*.1
vrrp vrid 1 priority 120
ip policy-based-route PBR-FJ
#局域网视频设备接口配置（视频网段），OSPF与BFD联动，启用VRRP，配置策略路由
interface Ethernet3/1/6
port link-mode route
ip address 10.141.*.2 255.255.255.240
ospf cost 20
ospf bfd enable
bfd min-transmit-interval 200
bfd min-receive-interval 200
bfd min-echo-receive-interval 200
vrrp vrid 2 virtual-ip 10.141.*.1
vrrp vrid 2 priority 120
ip policy-based-route PBR-FJ
#两台汇聚路由器互联配置，OSPF与BFD联动
interface GigabitEthernet3/0/1.500
vlan-type dot1q vid 500
ip address 10.141.*.3 255.255.255.252
ospf cost 10
ospf network-type p2p
ospf bfd enable
bfd min-transmit-interval 200
bfd min-receive-interval 200
bfd min-echo-receive-interval 200
#
interface GigabitEthernet3/0/1.501
vlan-type dot1q vid 501
ip address 10.141.*.2 255.255.255.252
ospf cost 10
ospf network-type p2p
ospf bfd enable
bfd min-transmit-interval 200
bfd min-receive-interval 200
bfd min-echo-receive-interval 200
#上联到省中心核心路由器，配置OSPF与BFD联动，配置QoS
interface Ethernet3/1/0
port link-mode route
qos max-bandwidth 8192
ip address 10.*.*.* 255.255.255.252
ospf cost 12
ospf network-type p2p
ospf bfd enable
bfd min-transmit-interval 200
bfd min-receive-interval 200
bfd min-echo-receive-interval 200
qos reserved-bandwidth pct 90
qos lr outbound cir 8192 cbs 512000 ebs 0
qos apply policy Qos_FJ_VPN1 outbound
#
#下联到县级接入路由器，配置OSPF与BFD联动，配置QoS
interface Ethernet3/1/4.861
vlan-type dot1q vid 861
qos max-bandwidth 4096
ip address 10.*.*.* 255.255.255.252
ospf cost 24
ospf network-type p2p
ospf bfd enable
bfd min-transmit-interval 200
bfd min-receive-interval 200
bfd min-echo-receive-interval 200
qos reserved-bandwidth pct 90
qos lr outbound cir 4096 cbs 256000 ebs 0
qos apply policy Qos_County_MSTP outbound
ip policy-based-route PBR-FJ
#
[1] 国家气象信息中心. 全国气象宽带网络主干系统整合实施方案，2011.
[2] Andrew S Tanenbaum.计算机网络（第四版）[M]. 北京: 清华大学出版社，2004.
[3] 华为技术有限公司. VRRP特性增强技术白皮书，2007.
