CN101695037B - 一种多跳路由系统间的故障快速检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明披露了一种多跳路由系统间的故障快速检测方法，该方法包括，本地路由器经初始化后向对端路由器周期性发送Hello报文。当本地路由器在超时间隔内收到对端路由器的Hello报文，且报文中含有本地路由器的Hello报文确认收到的信息时，则认为两台路由器间的双向链路正常；当本地路由器在规定的时间内没有收到对端路由器的Hello报文，或者收到的报文中不含有本地路由器的Hello报文确认收到的信息时，则认为到双向链路发生故障。同时，对端路由器也可以采用相同的方法来检测到本地路由器的双向链路是否发生故障。

Description

一种多跳路由系统间的故障快速检测方法

技术领域

本发明涉及互联网的故障检测领域，尤其是涉及一种可用于IPv4路由系统和IPv6路由系统的多跳路由系统间的故障快速检测方法。

背景技术

随着互联网的快速发展，人们对其服务质量的要求越来越高。因此，如何快速检测多跳路由系统间故障，这个问题显得愈加重要。当两个路由器之间的某处链路出现故障时，需要快速检测到故障的发生，为数据流快速建立起替代链路。

目前，在互联网路由协议中，一般采用慢Hello机制对链路故障进行检测，在没有硬件的帮助下，检测时间会很长。举例来说，开放式最短路径优先(OSPF，Open Shortest Path First)技术需要2秒的检测时间，而分级的链接状态路由技术需要1秒的检测时间。这对某些互联网应用来说时间过长，效率过低。

现今普遍采用的是双向转发检测(BFD，Bidirectional ForwardingDetection)技术，BFD技术是一种快速检测IP网络链路和通道连接性的新型机制，为故障快速恢复奠定了基础，其作为提高IP网络可靠性的关键技术之一得到了广泛的应用，目前已经成为互联网工程任务组草案标准并被普遍认可。BFD故障发现处理流程如下：

(1)被检测链路出现故障；

(2)BFD检测到链路故障，拆除BFD邻居会话；

(3)BFD通知本地OSPF进程BFD邻居不可达；

(4)本地OSPF进程中断OSPF邻居关系。

BFD会话的两端可能是在直连网段，即IP报文的一跳，也可能是在不同网段。BFD控制报文可以检测直连网段和非直连网段的故障，即BFD控制报文可以是单跳或多跳发送。

然而，BFD技术虽然提供了更快速的故障检测功能，但它仍存在以下不足：

1、虽然BFD技术采用了两端路由器均发送Hello报文的机制，但当两端路由器间的双向链路的某处出现故障时，它们均需要发送较多次数的Hello报文才能感知到故障的存在。

因为双向链路的丢包率比单向链路的大。例如，在双向链路的两个单向链路丢包率相同的情况下，前者的丢包率是后者的2倍。而BFD技术并没有利用这一实际情况，因此它发送的Hello检测报文过多，以至于故障检测时间没有达到更快的效果。

2、BFD技术的检测机制及Hello报文的结构均比较复杂，操作起来比较困难。

3、BFD技术中的Hello报文交互比较频繁，带宽占用比较大。

发明内容

为克服现有技术中存在的上述缺陷，本发明目的在于提供一种结构简单、检测速度快，并且报文交互所占用带宽较小、用户易于实现的多跳路由系统间的故障快速检测方法，该方法可以在多跳系统之间的虚链路、隧道、BGP等类型的双向链路上进行故障快速检测。

本发明提供的一种多跳路由系统间的故障快速检测方法，用于检测路由系统间的故障，以便快速定位故障的位置并及时通知给路由器，其中

多跳路由系统至少包括一台本地路由器和一台对端路由器，其中，在本地路由器和对端路由器上分别设置故障检测模块。

上述多跳路由系统间故障快速检测方法包括：

A1：启动本地路由器和对端路由器；

A2：分别对本地路由器和对端路由器的故障检测模块进行初始化；

A3：等待接收消息；

A4：若A3中接收到对端路由器的消息类型为故障快速检测开始消息，本地路由器从该消息中获取对端路由器的IP地址，检查与所述IP地址对应的节点，然后向对端路由器发送Hello报文；

A5：若A3中接收到的消息类型为Hello报文接收消息，判断本地路由器收到对端路由器发送的Hello报文中是否含有确认收到的信息，

当Hello报文中含有确认收到的信息，判断本地路由器到对端路由器的双向链路通信正常，

当Hello报文中没有含有确认收到的信息，判断本地路由器到对端路由器的双向链路发生故障；

A6：若A3中接收到的消息类型为定时器超时消息，判断超时定时器的类型，包括Hello报文发送间隔定时器和链路故障检测定时器，

当所述链路故障检测定时器超出规定的超时间隔后，判断本地路由器到对端路由器的双向链路发生故障；

A7：故障检测模块检测到链路发生故障后，查找发生故障的节点，对链路进行故障处理。

上述步骤2中的故障检测模块的初始化过程，即，创建一个链路快速检查链表，所述链表包含链路检测所需信息。

所述Hello报文包括：IP报头，Hello报文发送间隔变量和链路鲁棒性变量，用于使本地路由器和对端路由器的报文发送间隔、链路鲁棒值和判断链路故障的时间间隔均相同，以及用于反映对端路由器到本地路由器的单向链路状态的连接状态变量。

在上述步骤5中，Hello报文包含的确认收到的信息具体为连接状态变量。

在上述步骤6中，Hello报文发送间隔定时器和所述链路故障检测定时器均为递减定时器。

当所述链路故障检测定时器超过规定的超时间隔时，本地路由器会以间隔为Hello报文发送间隔变量除以链路鲁棒性变量的时间间隔向对端路由器发送次数等于链路鲁棒性变量的Hello报文，通知对端路由器发生链路故障。

本地路由器的故障检测模块检测到系统间的链路发生故障时，查看链路快速检查链表，查找故障对应的操作节点，

当找到所述节点时，则从链路快速检查链表中删除该操作节点，并清除Hello报文发送间隔定时器和链路故障检测定时器，然后进行链路故障处理；

当没有找到所述节点时，则丢弃收到的Hello报文。

本发明提供的多跳路由系统间的检测方法，相对于BFD技术具有以下特点：

(1)本发明的Hello报文相对于BFD技术的Hello报文在格式上更加简单，占用带宽更小；

(2)单向链路的丢包率比双向链路的低，因此在相同的网络状况和Hello报文发送间隔的情况下，当双向链路的某处出现故障时，本地和对端路由器发送的Hello报文的次数可以比BFD技术的更少，相应地判断故障的时间也可以更快；

(3)当某端路由器检测到单向链路的故障时，该路由器将发送若干次特殊的Hello报文，把故障快速通知给对端路由器，以达到两端路由器均能快速检测到故障是否存在的目的。

本发明的上述其他目的及其特征进一步适用的范围，可由下列的详细说明中清楚得知。但是，这些详细的说明和所提到的实施例仅供说明作用，并非构成对本发明的限制，本领域中的技术人员应该可以理解其它变化形式。

附图说明

图1是根据本发明的R1、R2两个路由器进行故障检测的网络示意图；

图2是根据本发明的路由器启动并初始化处理流程图；

图3是图1和图2中所示Hello报文的格式图；

图4是根据本发明的一个实施方式的故障快速检测开始消息的处理流程图；

图5是根据本发明的另一个实施方式的Hello报文接收消息的处理流程图；以及

图6是根据本发明的又一个实施方式的定时器超时消息的处理流程图。

具体实施方式

下面将参考附图对本发明的优选实施例进行详细描述。

本发明的目的是提供一种多跳路由系统间的故障快速检测方法，该方法结构简单、检测速度快，并且报文交互所占用带宽较小、易于实现。

本发明涉及的多跳路由系统间的故障检测方法具体包括：

1.本地路由器和对端路由器互发Hello报文，当报文中含有确认收到的信息时，则判断路由系统之间双向链路是正常的，反之，则判断路由系统之间双向链路发生故障。

2.当本地路由器在定时器的超时间隔内没有收到对端路由器的Hello报文时，则判断路由系统之间双向链路发生故障。

[实施方式1]

下面结合附图，以两台路由器构建的系统为例，对实施例中的路由系统间的故障检测方法进行说明。

图1中示出了两台路由器之间进行快速故障检测的网络结构。

以两台路由器构成的路由系统为例，如图1所示，该路由系统为多跳路由系统，系统包括路由器R1和路由器R2，两台路由器可以互相向对端路由器发送消息。

结合图2所示，两台路由器启动故障检测模块并初始化后，接收消息，具体步骤包括，

S201：启动路由器R1和路由器R2；

S202：分别对路由器R1和路由器R2故障检测模块进行初始化；

初始化过程，即，创建一个链路快速检查链表(CheckList)，该链表中包含链路检测时所需信息，包括：对端路由器的IP地址(DstIP)、Hello报文发送间隔变量(SendInterval)、链路鲁棒性变量(LinkRobustness)，Hello报文剩余发送次数变量(RemainNum)、链路故障检测定时器(LinkTimer)、Hello报文发送间隔定时器(SendTimer)以及主检测标识(MasterFlag)等，

在本实施例中，链路鲁棒性变量(LinkRobustness)用于反映链路的拥塞程度，默认值为2；Hello报文发送间隔变量(SendInterval)默认值为20毫秒，

链路故障检测定时器(LinkTimer)和Hello报文发送间隔定时器(SendTimer)均为递减定时器。上述两者在超时后均会被置为0，而两者在运行过程中均不为0。其中，当链路故障检测定时器(LinkTimer)超时，则表示路由器间的链路发生故障；

S203：初始化完成后路由器等待接收消息，根据接收到的消息类型，执行相应步骤，

路由器可能接收到的消息类型包括：故障快速检测开始消息、Hello报文接收消息、定时器超时消息；

S204：接收到的消息类型为故障快速检测开始消息；

S205：本地路由器从上述故障快速检测开始消息中获取对端路由器的IP地址；

S206：获取IP地址后，在链路快速检查链表中，查找与上述IP地址对应的节点；

S207：当本地路由器查找的对应节点后，向对端路由器发送Hello报文。

上述故障检测消息的处理过程，实现了本地路由器向对端路由器成功发送Hello报文的过程。

上述故障检测消息的处理流程具体可参见图4。

S208：接收到的消息类型为Hello报文接收消息；

S209：判断接收到的Hello报文中是否含有确认收到的信息；

S210：当Hello报文中包含确认收到的信息时，则可判断路由器间的双向链路通信正常；

S211：当Hello报文中没有包含确认收到的信息时，则可判断路由器间的双向链路通信故障；

S212：当检测双向链路通信故障后，查找发生故障的节点；

S213：对双向链路进行故障处理。

上述Hello报文接收消息的处理流程具体可参见图5。

S214：接收到的消息类型为定时器超时消息；

S215：判断链路故障检测定时器是否超时；

当判断链路故障检测定时器没有超时，执行步骤210；

当判断链路故障检测定时器超时，执行步骤211、步骤212和步骤213。

上述定时器超时消息的处理流程具体可参见图6。

图3示出了上述Hello报文的报文格式。

如图3所示，Hello报文格式内容包括：IP报头、Hello报文发送间隔变量(SendInterval)、链路鲁棒性变量(LinkRobustness)，以及连接状态变量(LinkStatus)。

其中，Hello报文发送间隔变量(SendInterval)，字节数为2；

链路鲁棒性变量(LinkRobustness)，字节数为1；

连接状态变量(LinkStatus)，字节数为1，

此外，Hello报文发送间隔变量(SendInterval)和链路鲁棒性变量(LinkRobustness)，用于使本地路由器和对端路由器的报文发送间隔、链路鲁棒值和判断链路故障的时间间隔均相同。

连接状态变量(LinkStatus)，用于反映对端路由器和本地路由器的单向链路状态。

本发明提供的Hello报文，相比较于BFD技术的Hello报文，结构更加简单，在进行故障快速检测时，占用的带宽更少。

[实施方式2]

图4中示出了故障快速检测开始消息处理流程。

在本实施例中，以路由器R1为本地路由器，路由器R2为对端路由器。

在步骤203中，当本地路由器R1的故障检测模块接收到的消息类型为故障快速检测消息时，执行如下步骤：

S401：本地路由器R1从该消息中获取对端路由器R2的IP地址(DstIP)，根据该地址查找步骤202中创建的链路快速检查链表(CheckList)。查看该表中是否包含有与上述IP地址(DstIP)对应的节点。

当创建的链路快速检查链表(CheckList)中没有包含与上述IP地址(DstIP)对应的节点时，执行步骤402至步骤407

S402：故障快速检测模块在链路快速检查链表(CheckList)中增加一个节点，

当创建的链路快速检查链表(CheckList)中包含有与上述IP地址(DstIP)对应的节点时，则跳过上述步骤402，依次执行步骤403至步骤407；

S403：使RemainNum＝LinkRobustness，MasterFlag＝1；

S404：启动上述节点中的链路故障检测定时器(LinkTimer)，该定时器的超时间隔为LinkTimeout，由以下公式确定，LinkTimeout＝2*(LinkRobustness-1)*SendInterval+MaxLinkDelay，其中，MaxLinkDelay为最大链路延迟。链路延迟为报文往返对端路由器所经历的时间，MaxLinkDelay默认值为5毫秒。

S405：本地路由器R1向对端路由器R2发送Hello报文。其中SendInterval域和LinkRobustness域的值分别与步骤403中SendInterval值和LinkRobustness值相同，LinkStatus域的值为1，表示对端路由器到本地路由器的单向链路是正常的；

S406：RemainNum＝RemainNum-1；

S407：启动Hello报文发送间隔定时器(SendTimer)，其超时间隔为SendInterval。

上述故障检测消息的处理过程，实现了由本地路由器向对端路由器成功发送Hello报文。

综上，当路由器的故障快速检测模块收到故障快速检测开始消息，说明该路由器是故障快速检测的主动者，相应地该路由器会将主检测者标识(MasterFlag)置为1，同时将发送的Hello报文的SendInterval域和LinkRobustness域分别赋值为自己的报文发送间隔和链路鲁棒值。

当路由器的故障快速检测模块没有收到故障快速检测开始消息，则说明该路由器是故障快速检测的被动者，收到对端路由器的Hello报文后，该路由器就会将MasterFlag置为0，同时将发送的Hello报文的SendInterval域和LinkRobustness域均置为0。

本地路由器和对端路由器可以均为主动者，但不能均为被动者。

[实施方式3]

图5中示出了Hello报文接收消息的处理流程。

在步骤203中，当路由器R2的故障检测模块接收到的消息类型为Hello报文接收消息时，则根据收到的Hello报文消息判断通信链路状态，若路由器R2收到路由器R1发送的Hello报文中含有确认收到的信息，即连接状态变量(LinkStatus)，则判断本地路由器R1到对端路由器R2的双向链路通信正常。包括如下步骤：

S501：判断Hello报文中的LinkStatus是否为1；

若LinkStatus为1，则执行步骤502；

S502：查询CheckList表，看表中是否含有与SrcIP对应的节点，即，SrcIP与节点中的DstIP相同；

当未找到上述对应节点时，执行步骤504，即判断报文中的SendInterval值和LinkRobustness值是否均不为0；

当报文中的SendInterval值和LinkRobustness值至少有一个为0时，执行步骤511，丢弃该报文；

当报文中的SendInterval值和LinkRobustness值至少有一个不为0时，则依次执行步骤505和步骤506；

当找到上述对应节点时，执行步骤503，即判断LinkTimer是否为0；

当LinkTimer＝0时，执行步骤511，丢弃该报文；

当LinkTimer不为0时，执行步骤506；

S505：在CheckList表中增加一个节点，把报文中的SrcIP、SendInterval值和LinkRoubustness值分别赋值给该节点中的DstIP、SendInterval和LinkRoubustness，

此外，将LinkRoubustness赋值给RemainNum；将MasterFlag置为0；

S506：判断MasterFlag值、报文中的SendInterval值和LinkRoubustness值；

S507：判断SendInterval＝0或LinkRobustness＝0，并且MasterFlag＝0时，则执行步骤511，即丢弃该报文；

S514：判断SendInterval＝0或LinkRobustness＝0，并且MasterFlag＝1时，则依次执行步骤515和S516；

S512：判断SendInterval不为0且LinkRobustness不为0时，依次执行步骤513、步骤515和步骤516；

S513：将上述报文中的SendInterval值和LinkRobustness值分别赋值给SrcIP所对应节点中的SendInterval值和LinkRobustness值；

S515：故障检测模块更新SrcIP所对应节点中的定时器LinkTimer，其超时间隔LinkTimeout由以下公式确定：

LinkTimeout＝LinkRobustness*SendInterval+SingleLinkDelay

其中，LinkRobustness值和SingleLinkDelay值均为SrcIP所对应节点中的LinkRobustness值和SingleLinkDelay值；

SingleDelay＝MaxSingleDelay-MinSingleDelay，

MaxSingleDelay为报文从对端路由器R2到本地路由器R1的最大单向链路延迟；

MinSingleDelay为报文从对端路由器R2到本地路由器R1的最小单向链路延迟，

SingleDelay默认值为3毫秒。

S516：查看SrcIP所对应节点中的RemainNum值、LinkTimer和SendTimer的超时剩余值，分别为SendRemain和LinkRemain；

当判断RemainNum＞0且SendRemain＞SendInterval/2，或者RemainNum≤0且LinkRemain＞SendInterval/2+SingleLinkDelay时，执行步骤518，即RemainNum＝LinkRobustness-1；

S519：当RemainNum＞0且SendRemain≤SendInterval/2，或者RemainNum≤0且LinkRemain≤SendInterval/2+SingleLinkDelay时，则执行步骤520，即RemainNum＝LinkRobustness。

当步骤501中，判断LinkStatus为0时，则执行步骤508；

S508：查看CheckList表，查找所要操作的节点。

当没有找到该节点时，执行步骤511，即丢弃收到的报文。

当找到该节点时，则执行以下步骤：

S509：从CheckList表中删除节点，包括清除定时器LinkTimer和SendTimer；

S510：进行链路故障处理。

[实施方式4]

图6示出了定时器超时消息的处理流程。

在步骤203中，当故障检测模块接收到消息为定时器超时消息时，执行以下步骤：

S601：判断超时定时器的类型。

S602：判断超时定时器为SendTimer，执行步骤603；

S603：判断LinkTimer和RemainNum的值。

S604：判断LinkTimer＝0且RemainNum＝0时，则执行步骤605；

S605：从CheckList中删除SendTimer对应的节点；

S606：判断LinkTimer＝0且RemainNum＞0，依次执行步骤607、步骤608和步骤609；

S607：发送Hello报文，其中，报文中的SendInterval域、LinkStatus域和LinkRobustness域均置为0；

S608：RemainNum＝RemainNum-1；

S609：启动SendTimer，超时间隔为

SendInterval/LinkRobustness；

S610：在步骤603中，判断LinkTimer不为0时，执行步骤611；

S611：判断RemainNum的值；

S612：当RemainNum＞0时，则执行步骤613、步骤614和步骤615；

S613：发送Hello报文，报文中的SendInterval、LinkStatus和LinkRobustness值均为非0值；

S614：RemainNum＝LinkRobustness-1；

S615：启动SendTimer，超时间隔为SendInterval；

S616：在步骤611中，判断RemainNum＝0，执行步骤617；

S617：SendTimer＝0；

在步骤601中，判断定时器类型为LinkTimer，即步骤618。

当定时器LinkTimer超时时，说明链路发生故障，则执行以下步骤：

S619：使LinkTimer＝0，并使RemainNum＝LinkRobustness；

S620：向对端路由器发送Hello报文，并且把Hello报文中的SendInterval域、LinkStatus域和LinkRobustness域均置为0；

S621：RemainNum＝RemainNum-1；

S622：启动SendTimer，其超时间隔为

SendInterval/LinkRobustness；

S623：判断Master的值，当MasterFlag＝1时，则执行步骤624；

S624：链路故障处理。

即，当链路故障检测定时器超过规定的超时间隔后，本地路由器会以Hello报文发送间隔变量除以链路鲁棒性变量的时间间隔向对端路由器发送次数等于链路鲁棒性变量的Hello报文，通知对端路由器发生链路故障。而后，进行链路故障处理。

综上，当路由器R1可以收到路由器R2的Hello报文，并且报文中含有确认收到的信息时，则判断路由器R1到路由器R2的双向链路是正常的。

当路由器R1在规定时间内没有收到路由器R2的Hello报文，或者收到的报文中不含有确认收到的信息时，则判断路由器R1到路由器R2的双向链路的某个节点发生故障。

当故障检测模块检测到路由系统间的链路发生故障时，查找发生故障的节点，对链路进行故障处理。

此外，路由器R2也可以作为报文发送者，即发送报文消息的主动方，路由器R1作为报文接收者，即接收报文消息的被动方，采用如上所述的相同方法来判断其对端路由器的双向链路是否发生故障。

以上所披露的仅为本发明的优选实施例，当然不能以此来限定本发明的权利保护范围。可以理解，根据本发明所附权利要求书中限定的实质和范围所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种多跳路由系统间的故障快速检测方法，用于检测路由系统间的链路故障，该多跳路由系统至少包括一台本地路由器和一台对端路由器，在本地路由器和对端路由器上分别设置故障检测模块，

其特征在于：所述多跳路由系统间故障快速检测方法包括，

A1：启动本地路由器和对端路由器；

A2：分别对本地路由器和对端路由器的故障检测模块进行初始化；

A3：等待接收消息；

A4：若A3中接收到对端路由器的消息类型为故障快速检测开始消息，本地路由器从该消息中获取对端路由器的IP地址，检查与所述IP地址对应的节点，然后向对端路由器发送Hello报文；

A5：若A3中接收到的消息类型为Hello报文接收消息，判断本地路由器收到对端路由器发送的Hello报文中是否含有连接状态变量，其中所述连接状态变量用于反映对端路由器到本地路由器的单向链路状态；

当Hello报文中含有连接状态变量，判断本地路由器到对端路由器的双向链路通信正常，

当Hello报文中没有含有连接状态变量，判断本地路由器到对端路由器的双向链路发生故障；

A6：若A3中接收到的消息类型为定时器超时消息，判断超时定时器的类型，包括Hello报文发送间隔定时器和链路故障检测定时器，

当所述链路故障检测定时器超出规定的超时间隔后，判断本地路由器到对端路由器的双向链路发生故障；

A7：故障检测模块检测到链路发生故障后，查找发生故障的节点，对链路进行故障处理。

2.如权利要求1所述的多跳路由系统间的故障快速检测方法，其特征在于：故障检测模块进行初始化，即，创建一个链路快速检查链表，所述链表包含链路检测所需信息。

3.如权利要求1所述的多跳路由系统间的故障快速检测方法，其特征在于：所述Hello报文格式包括，

IP报头；

Hello报文发送间隔变量；

链路鲁棒性变量；

所述Hello报文发送间隔变量和链路鲁棒性变量，用于使本地路由器和对端路由器的报文发送间隔、链路鲁棒值和判断链路故障的时间间隔均相同，

连接状态变量，用于反映对端路由器到本地路由器的单向链路状态。

4.如权利要求1所述的多跳路由系统间的故障快速检测方法，其特征在于：所述Hello报文发送间隔定时器和所述链路故障检测定时器均为递减定时器。

5.如权利要求1所述的多跳路由系统间的故障快速检测方法，其特征在于：所述链路故障检测定时器超过规定的超时间隔后，本地路由器会以间隔为Hello报文发送间隔变量除以链路鲁棒性变量的时间间隔向对端路由器发送次数等于链路鲁棒性变量的Hello报文，通知对端路由器发生链路故障。

6.如权利要求1所述的多跳路由系统间的故障快速检测方法，其特征在于：当本地路由器的故障检测模块检测到系统间的链路发生故障时，查看链路快速检查链表，查找故障对应的操作节点，

当找到所述节点时，则从链路快速检查链表中删除该操作节点，并清除Hello报文发送间隔定时器和链路故障检测定时器，然后进行链路故障处理；

当没有找到所述节点时，则丢弃收到的Hello报文。

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