系統概述

何謂“IRF”

IRF的含義就是智能彈性架構（Intelligent Resilient Framework）。

支持IRF的多臺設備可以互相連接起來形成一個“聯合設備”，這臺“聯合設備”稱為一個Fabric，而將組成Fabric的每個設備稱為一個Unit（如圖1所示）。多個Unit組成Fabric后，無論在治理還是在使用上，就成為了一個整體。它既可以隨時通過增加Unit來擴展設備的端口數量和交換能力，大大提高了設備的可擴展性；同時也可以通過多臺Unit之間的互相備份增強設備的可靠性；并且整個Fabric作為一臺設備進行治理，用戶治理起來也非常方便。

簡單來說，就是IRF設備通過多個Unit的堆疊形成了用戶迫切需要的易治理、易擴展以及高可靠的產品特點，是一種不同于業界現有所有設備的全新理念的網絡設備。

圖1 Fabric設備示意圖

何謂“IRF之分布式彈性路由”

IRF產品有三個要害特性：

DDM（分布式設備治理）：外界可以將整個Fabric看成一臺整體設備進行治理，用戶可以通過CONSOLE、SNMP、TELNET、WEB等多種方式來治理整個Fabric。

DLA（分布式鏈路聚合）：支持跨設備的鏈路聚合，支持LACP協議。可以在設備之間進行鏈路的負載分擔和互為備份。

DRR（分布式彈性路由）：包含多個Unit的Fabric在外界看來是一臺單獨的三層交換機。整個Fabric將作為一臺設備進行路由功能和轉發功能。在Fabric中的某一個Unit發生故障時，整個Fabric的路由協議和數據轉發不會中斷。

以上這三個要害特性支撐了IRF設備的易治理、易擴展以及高可靠的產品特點，也同時使得IRF設備具有現有業界已有設備無法比擬的應用優勢。

本文所要描述的“IRF之分布式彈性路由”（DRR）作為IRF設備三個要害特性之一，它是IRF設備的實現基礎，也是IRF設備中最具亮點和應用價值的特性之一。

“IRF之分布式彈性路由”的技術特點及應用價值

自網絡設備誕生起，設備的可靠性一直是各個廠商竭力攻關的課題。到目前為止，隨著各種技術的不斷進步，設備的可靠性方面也確實有了大幅度的提升，但是最能使設備可靠性得到質的飛躍的技術“路由協議熱備份”，卻由于其無法想象的復雜性，成了困擾業界各個廠商懸而未決的難題。

“路由協議熱備份”之所以復雜，是因為其具有復雜多變的各種協議狀態機，并且具有龐大而多變的鏈路信息庫（LSDB），要想通過設備間的熱備份實現幾臺設備上各種協議狀態機以及LSDB的嚴格同步是非常困難的。而“路由協議熱備份”之所以重要，是因為一旦解決了這個難題，就可以實現在不中斷路由協議和業務的情況下輕松切換工作設備，也就可以輕松實現網絡平滑升級、設備故障智能保護等客戶急需的特性需求，從而實現在各種情況下網絡業務的無中斷運行。

華為3Com的“IRF之分布式彈性路由”技術是業界首次真正實現“路由協議熱備份”的技術，做到了同一個Fabric中各個Unit上路由信息的嚴格同步，并且在其中一個或多個Unit出現故障的時候，其它Unit可以照常運行并迅速接管故障Unit的功能，此時，路由協議不會隨之出現中斷，二/三層轉發流量和業務也不會出現中斷，從而實現了真正意義上的不中斷路由協議、不中斷業務的故障保護和設備切換功能。

另外，華為3Com的“IRF之分布式彈性路由”還將實現一個非常重要的功能，那就是“分布式三層轉發”，它在業界首次改變了普通堆疊設備的三層轉發模式，是具有重大創新意義的全新“分布式三層轉發”流程。

在業界現有的設備中，一般堆疊設備的三層轉發模式如圖2所示：

圖2 普通堆疊設備三層轉發示意圖

即堆疊設備中只有主單元設備具有三層轉發能力，其余單元設備在收到三層報文后必須交給主單元設備（圖2中的unit1）進行三層轉發。

而采用華為3Com的“IRF之分布式彈性路由”技術后實現的“分布式三層轉發”流程如圖3所示：

圖3 采用“IRF之分布式彈性路由”技術后三層轉發示意圖

即實現了“IRF之分布式彈性路由”技術后，Fabric上任意一個Unit都有完整的三層轉發能力，當它收到待轉發的三層報文時，可以通過查詢本Unit的三層轉發表得到報文的出接口以及下一跳，然后將報文從正確的出接口送出去，這個出接口可以在本Unit上也可以在其它Unit上，并且將報文從一個Unit送到另外一個Unit是一個純粹內部的實現，對外界是完全屏蔽的，即對于三層報文來說，不管它在Fabric內部穿過了多少Unit，在跳數上只增加1，即表現為只經過了一個網絡設備。

“IRF之分布式彈性路由”的要害技術點

作為一臺設備治理所有三層接口

設備上存在UP的三層接口是運行路由協議的基礎，也是網絡設備能夠進行報文三層轉發的前提條件。要使一個Fabric中各個Unit上的路由協議各種信息保持一致，最基本的前提就是每個Unit的三層接口必須保持完全一致。在華為3Com的IRF技術體系里，Fabric上的三層接口是一個全局的概念，它不屬于某一個Unit，而是屬于整個Fabric，一個Fabric作為一臺設備治理本Fabric上所有三層接口，每一個三層接口在Fabric是具有唯一性的，對于Fabric中任意一個Unit來說，它看到的都是由Fabric統一維護的全局的三層接口，因此每一個Unit看到的結果都是一樣的。這也就滿足了Fabric中每個Unit的三層接口必須保持完全一致的需求。

作為一臺設備進行路由協議的各種配置

要使一個Fabric中各個Unit上的路由協議各種信息保持一致，另外一個基本前提就是每個Unit關于路由協議的配置是完全一致的。這里的完全一致不僅僅是指配置的命令完全一致，而且包括配置的時間和時序都完全一致，即用戶必須同時在Fabric中的所有Unit上配置完全一致的命令。很顯然這個需求靠用戶手工在所有Unit上分別配置命令是無法實現的，因此IRF設備必須實現把整個Fabric作為一臺設備進行路由協議各種配置的功能。

這里所說的把整個Fabric作為一臺設備進行路由協議各種配置的功能是指用戶可以借助任何手段（包括CONSOLE、SNMP、TELNET、WEB等多種方式），也可以在Fabric中的任意一個Unit上，進行路由協議的相關配置，只要Fabric中的任意一個Unit收到用戶配置，就會馬上同步給其余所有Unit同時執行，從而實現每個Unit關于路由協議的配置完全一致的需求。

圖4 Fabric處理路由協議相關配置示意圖

作為一臺設備運行路由協議

把多個Unit堆疊起來組成一個Fabric在網絡中運行時，將不可避免的碰到一個沖突問題：即所有的Unit都會發送路由協議報文，都會分別和外界設備進行路由信息交互，因此外界設備看到的將是多個設備，而不是Fabric本身一個設備，而同時由于各個Unit上的三層接口以及ip地址是完全一致的，外界設備就會收到來自同一個接口同一個IP地址的多個路由協議報文（分別由各個Unit發出），從而不可避免的造成沖突問題。

要解決這個沖突問題，就必須讓Fabric只發出一份路由協議報文來，即讓整個Fabric作為一臺設備運行，采取的辦法是從所有Unit中選出一個Unit來發送路由協議報文，其它Unit發送的路由協議報文都將被抑制，因此從外界看來，整個Fabric只發出一份路由協議報文來，就像只有一臺設備在運行路由協議一樣。

下文圖5中以RIP協議為例對華為3Com的方案進行了簡要說明，圖5中Unit1和Unit2組成了一個Fabric，這個Fabric從Unit1和Unit2分別收到了RIP協議報文，并且Unit1和Unit2都向外界發送了RIP協議報文，但是只有Unit1的報文被成功發送出去，而Unit2的RIP協議報文被Fabric系統在內部抑制，從而對于外界設備來說，整個Fabric只發出一份路由協議報文來。

圖5 Fabric收發路由協議報文示意圖

靜態路由協議的熱備份

靜態路由協議的熱備份相對比較簡單，因為所有靜態路由都是通過配置產生的，只要實現上文所說的把Fabric作為一臺設備進行配置的功能，即用戶配置的任何一條命令都會在所有Unit上同時執行，那么每一個Unit根據配置命令產生的靜態路由也是完全一致的。

RIP路由協議的熱備份

RIP路由協議是目前各種路由協議中相對比較簡單的協議，它沒有復雜的協議狀態機，只是根據RIP協議報文來互相交互路由信息，因此只要讓Fabric中的每一臺Unit處理的RIP協議報文完全一致就可以保證每一臺Unit上生成的RIP路由完全一致。

要實現這個功能，就必須要保證Fabric中的每一臺Unit在相同的時間，以相同的時序收到完全相同的協議報文，并且處理該協議報文的所有前提條件（例如接口狀態等）都是完全一致的。采取的辦法是在所有Unit各種協議狀態完全一致的情況下，任意一個Unit收到外界傳來的RIP協議報文就馬上同步給其它所有Unit，讓Fabric中的所有Unit上同時能處理到同樣的RIP協議報文，從而保證每個Unit生成RIP路由的一致性。

OSPF路由協議的熱備份

OSPF是目前網絡上應用最廣的路由協議之一，同時也是最復雜的路由協議之一。它包含Down、Loopback、Waiting、Point-to-point、DR Other、Backup、DR等七個接口狀態以及Down、Attempt、Init、2-Way、ExStart、Exchange、Loading、Full等八個鄰居狀態，另外還包括Router-LSAs、Network-LSAs、Summary-LSAs (IP network)、Summary-LSAs (ASBR)、AS-external-LSAs、type-7 LSA(NSSA)等各種類型的LSA以及HELLO（Hello Packets）、DD（Database   Description Packets）、LSR（Link State Request Packets）、LSU（Link State Update Packet）、LSAck（Link State Acknowledgment Packet）等五大類協議報文，最要害的是OSPF的各種接口狀態、鄰居狀態以及相關報文處理都是環環相扣的關系，它們之間互相作用互相推進并互相限制，任何狀態以及相關時序的混亂都會導致OSPF鄰居無法成功建立，網絡無法及時得到收斂。所以要使得Fabric中各個Unit上各種OSPF路由信息保持完全一致、各種OSPF協議狀態保持完全同步是一個非常復雜且龐大的工程。

華為3Com憑借多年深厚的技術積累以及相應開發團隊的不斷努力，終于攻克了上文提到的難題，在業界首次成功完成了OSPF協議熱備份的開發工作，并且經受住了反復測試以及實驗局的考驗，在功能和性能上都取得了非常好的效果。

采用華為3Com的這種技術后可以輕松切換工作設備、并且整個切換過程快速、平滑，不會引起OSPF鄰居關系的重建和路由振蕩。因此可以說是首次在業界實現了切換工作設備時不中斷路由協議、不中斷業務的真正協議熱備份。

華為3Com這次自主研發并具有獨立知識產權的OSPF協議熱備份技術主要由以下幾個要害技術點組成：

1、OSPF IRF的協議報文處理以及FLOOD過程

上文“作為一臺設備運行路由協議”一節中已經描述了在Fabric中各個Unit上的路由協議報文的發送過程，即采取的辦法是從所有Unit中選出一個Unit來發送路由協議報文，其它Unit發送的路由協議報文都將被抑制，這樣做的目的是使得整個Fabric只發出一份路由協議報文來，對于外界設備來說，就像只有一臺設備在運行路由協議一樣。

2、OSPF IRF的接口狀態實時備份

OSPF的正常運行是通過狀態機來推動的。狀態機包括接口和鄰居狀態機。接口狀態機是OSPF成功建立鄰居關系以及正確處理協議報文的前提，為了保證切換工作設備時做到平滑、可靠，不中斷路由協議的正常運行，則必須保證切換前后接口狀態的一致性，所以必須保證Fabric中所有Unit上接口狀態的嚴格同步。

針對以上問題，華為3Com推出了OSPF IRF的接口狀態實時備份技術。它采用了華為3Com自主研發的具有獨立知識產權的Unit間數據備份技術（XHA），能夠有效保證備份數據的時序性以及可靠性，使得Fabric中所有Unit上接口狀態的嚴格同步成為可能。

3、OSPF IRF的鄰居狀態實時備份

為了保證切換工作設備時的平滑、可靠，并且在切換的時候不引起OSPF鄰居狀態的動蕩和變化，所以也必須保證Fabric中所有Unit上鄰居狀態的嚴格同步。

鄰居狀態熱備份同樣采用了XHA技術進行備份數據的傳送，保證了Fabric中各個Unit上鄰居狀態的嚴格一致。

下文圖6對OSPF IRF接口狀態以及鄰居狀態的實時備份過程作了簡要說明。Unit1作為OSPF主工作設備，接收并處理所有OSPF協議報文，并隨時把接口狀態和鄰居狀態的變化通過實時備份數據的形式發送給Unit2，從而保證了Fabric內部各個Unit上各種協議狀態機的一致性。

圖6 Fabric內部OSPF接口狀態及鄰居狀態實時備份過程示意圖

4、OSPF IRF的LSA實時備份

LSA是路由計算的基礎，要使得Fabric中各個Unit上計算出來的路由一致，則必須保證Fabric中各個Unit上LSA的一致性。同樣也只有在Fabric中各個Unit上LSA以及計算出來的相應路由保持一致的前提下，切換工作設備時才能夠有效避免路由振蕩，才能做到網絡業務的真正無中斷運行。

華為3Com推出了OSPF IRF的LSA實時備份技術。它既有效的保證了備份數據的時序性以及可靠性，并且備份數據量以及占用的系統資源都非常少，使得Fabric能夠輕松實現各個Unit上LSA的一致性。

5、OSPF IRF的重傳列表實時備份

為了保證切換工作設備時的平滑、可靠，并且在切換的時候不引起OSPF鄰居狀態的動蕩和變化，并同時保證網絡內路由的延續性和準確性，還必須要考慮OSPF的重傳列表備份問題。因為假如Fabric內各個Unit上OSPF重傳列表不一致，切換工作設備后就有可能造成部分LSA不會被重傳給外界鄰居，而外界鄰居由于丟失了這部分LSA就會造成網絡內各臺設備之間LSDB的不同步，從而失去了OSPF賴以生存的基礎，嚴重影響到網絡內OSPF路由的完整性及準確性，從而無法實現切換設備后網絡業務的無中斷運行。

重傳列表由于其出現的頻繁性及短暫性，想要通過由主設備發送實時備份數據給其它Unit的方式來實現各個Unit上重傳列表的一致性是非常困難的。

華為3Com通過特有的重傳列表備份技術解決了以上難題，做到了Fabric中各個Unit上重傳列表的嚴格一致，使得切換工作設備時的平滑、可靠成為可能。

Unit加入的處理

為了讓IRF設備的平滑無縫升級成為可能，就需要在新Unit加入時做出復雜的處理，使得新Unit的加入不會中斷或影響設備上路由協議和網絡業務的正常運行，并且能夠迅速融入整個Fabric進行工作，使得Fabric的端口數量和交換能力得到大大提升。

讓新Unit在不中斷或影響設備上運行的路由協議的情況下迅速融入Fabric有很多難題。第一，它需要學到在它加入之前用戶在Fabric上的所有配置；第二，它需要學到整個Fabric上的所有三層接口；第三，它需要學到整個Fabric上各種路由協議的全部路由信息，即它需要在短時間內與Fabric上所有其它Unit上的路由信息保持完全一致（這里的路由信息不僅僅時指路由表，還包括路由協議的各種協議狀態機、接口狀態機以及鏈路信息庫等）。

為了解決這些難題，華為3Com推出了一系列極具創新性的技術。

第一，        推出了設備間配置恢復技術：當Fabric探測到有新Unit加入時，立即啟動設備間配置恢復流程，使得在新Unit加入之前的Fabric上的所有配置都被成功恢復到新Unit上，從而使得新Unit在極短的時間內做到與Fabric上所有其它Unit配置信息的一致性。

第二，        推出了設備間的三層接口恢復技術：當Fabric探測到有新Unit加入時，立即啟動設備間的三層接口恢復流程，使得在新Unit加入之前的Fabric上的所有三層接口都被成功恢復到新Unit上，從而使得新Unit能夠與其它Unit一樣擁有整個Fabric上的所有三層接口。

第三，        推出了設備間路由協議批量備份技術：當Fabric探測到有新Unit加入時，立即啟動設備間路由協議批量備份流程，Fabric會將正在運行的各個路由協議的所有路由信息批量備份給新Unit，包括路由協議的各種協議狀態機、接口狀態機以及鏈路信息庫等，以OSPF為例，就需要備份OSPF全局數據、所有區域的相關數據、所有接口的狀態機及相關數據、所有鄰居的狀態機及相關數據、所有LSA以及重傳列表等。通過設備間的路由協議批量備份使得新Unit在短時間內迅速與Fabric上所有其它Unit上的路由信息保持完全一致，從而為Fabric在后續長期運行中各個Unit上路由信息保持完全一致奠定堅實基礎。

Unit離開的處理

同樣，為了讓IRF設備的故障智能保護成為可能，就需要使Fabric能夠自動探測各個Unit上故障的發生，并作出及時處理，使得一個或幾個Unit的故障不會中斷或影響Fabric上路由協議和網絡業務的正常運行。

由于不管是Fabric內部線路故障或者Unit本身發生故障，都表現為某個或者某些Unit不能正常工作，Fabric通過內部探測協議可以發現這些不能正常工作的Unit，并把這些Unit從Fabric中剔除出去，所以對于Fabric中的其它正常Unit來說，它們感覺到的是某個或者某些Unit離開了Fabric，因此這種故障智能保護的處理歸根結蒂也就是對Unit離開事件的處理。

當Fabric探測到某個或者某幾個Unit離開時，立即通知給其它Unit，由于Fabric中各個Unit上的路由信息是完全一致的，因此剩下的Unit可以無縫的接管離開的Unit的工作。對于整個Fabric來說，所有路由協議信息都沒有改變，例如OSPF的接口狀態機以及鄰居狀態機都沒有改變，因此不需要與外界設備進行重新協商；OSPF的所有鏈路信息庫也是完整的，因此也不會出現丟失路由現象。因此，在不能正常工作的故障Unit離開Fabric的時候，路由協議不會隨之出現中斷，二/三層轉發流量和業務也都不會出現中斷，從而真正意義上實現了設備故障的智能保護。

以圖7為例，Unit1發生故障后，Unit2可以無縫的接手Unit1的工作，Fabric上所有正在運行的路由協議OSPF/RIP都不會受到影響，對于外界設備來說，根本感覺不到Fabric上有故障發生。

圖7 Fabric故障保護示意圖

統一的三層轉發表

上文在“IRF之分布式彈性路由的技術特點和應用價值”一節中提到IRF設備還有一個非常重要的特性，那就是實現三層報文的分布式轉發，即實現了“IRF之分布式彈性路由”技術后，Fabric上任意一個Unit都有完整的三層轉發能力，當它收到待轉發的三層報文時，可以通過查詢本Unit的三層轉發表得到報文的出接口以及下一跳，然后將報文從正確的出接口送出去，這個出接口可以在本Unit上也可以在其它Unit上，并且將報文從一個Unit送到另外一個Unit是一個純內部實現，對外界是完全屏蔽的，即對于三層報文來說，不管它在Fabric內部穿過了多少Unit，在跳數上只增加1，即表現為只經過了一個網絡設備。

要實現上述功能有一個難題：那就是怎樣讓每個Unit都具有完全一樣的三層轉發表，因為雖然每個Unit上的路由信息都一樣，但是它們進行路由計算的時間并不能保持完全一致，因此并不能保證各個Unit在任何時刻的三層轉發表都完全一致。為了解決這個問題，華為3Com推出了設備間的三層轉發表同步技術。

以圖8為例， Unit1和Unit2組成了一個Fabric，它們都會根據本Unit上的路由信息進行路由計算并生成路由表，但只有Unit1生成的路由表會被下刷到三層轉發表，Unit2上的三層轉發表是由Unit1同步而來的，這樣Fabric中各個Unit上的三層轉發表就可以在任何時刻都保持完全一致。

圖8 Fabric三層轉發表示意圖

總結

華為3Com的“IRF之分布式彈性路由”技術是業界首次真正實現“路由協議熱備份”的技術，做到了同一個Fabric中各個Unit上路由信息的嚴格同步，并且在其中一個或多個Unit出現故障的時候，其它Unit可以照常運行并迅速接管故障Unit的功能。此時，路由協議不會隨之出現中斷，二/三層轉發流量和業務也不會出現中斷，從而實現了真正意義上的不中斷路由協議、不中斷業務的故障保護和設備切換功能。

另外，華為3Com的“IRF之分布式彈性路由”技術在業界首次改變了普通堆疊設備的三層轉發模式，實現了具有重大創新意義的全新“分布式三層轉發”流程，使得Fabric上任意一個Unit都有完整的三層轉發能力，從而大幅度提升了堆疊設備的轉發能力和產品性能。

總之，采用了“IRF之分布式彈性路由”技術的IRF設備，通過多個Unit的堆疊形成了用戶迫切需要的易治理、易擴展以及高可靠、強轉發能力的產品特點。是一種不同于業界現有所有設備的全新理念的網絡設備。它必將在日新月異的數據通信網絡建設大潮中大顯身手。