蔡文婷

【摘  要】 民航TDM网是民航通信网的子网，在民航安全生产业务传输中扮演着至关重要的角色。然而，由于复杂的网络拓扑和巨大的通信数据流量，民航TDM网面临着各种安全挑战和故障。其中，链路故障的快速检测和恢复是确保民航TDM网高可用性和可靠性的关键问题。基于此，文章深入探讨BFD和FRR的技术原理，分析其在民航TDM网中的应用，研究BFD和FRR技术对民航TDM网可用性和稳定性的影响，通过实验和分析，评估了BFD和FRR技术应用前后民航TDM网性能参数的变化，以期为进一步提升民航通信系统的可用性和安全性提供有益参考。

【关键词】 民航TDM网；BFD；FRR；eNSP

随着民航业的快速发展，民航TDM网作为关键的基础设施之一，扮演着至关重要的角色。民航TDM网是民航通信网的子网，主要用于负责甚高频业务、雷达业务、转报业务、ADS-B业务等民航安全生产业务的传输。在民航TDM网中，确保高效、可靠的通信是保障航空安全的关键要素之一。

然而，由于复杂的网络拓扑和巨大的通信数据流量，民航TDM网面临各种故障和安全挑战。为解决这些挑战，应用了许多技术。其中，BFD（Bidirectional Forwarding Detection）和FRR（Fast Rerou-te）技术凭借其快速而可靠的特性，得到了广泛的应用。BFD技术能够实时检测链路故障，并立即触发相应的故障处理程序。而FRR技术则能够在链路故障发生时，快速重新选择备用路径，确保通信的连续性和可靠性。综合应用BFD和FRR技术，可以实现对民航TDM网中链路故障的快速检测和恢复，提高民航通信系统的稳定性和可靠性。

一、BFD技术原理

BFD是一种基于控制平面的协议，用于快速检测链路故障，它可以在毫秒级别内检测到链路故障。BFD的基本原理和工作机制如下：

1. 会话建立。BFD会话是在源站点和目标站点之间建立的。在会话建立过程中，源站点和目标站点之间交换控制报文，以协商会话的参数和设置。

2. 心跳报文交换。一旦会话建立完成，源站点和目标站点开始周期性地交换BFD控制报文，也称为心跳报文。这些心跳报文用于维持会话的活跃状态，并在链路故障发生时进行快速检测。

3. 检测时间。BFD会话通过配置的检测时间来确定心跳报文之间的时间间隔。较短的检测时间可以提供更快的故障检测，但会增加网络开销。较长的检测时间则可能导致较慢的故障检测。

4. 检测机制。当源站点在一段时间内没有收到目标站点的心跳报文时，它会认为链路故障发生了。源站点将触发故障检测机制，并发送通知以通知网络维护人员。目标站点也会检测到链路故障，并发送相应的通知。

正常情况下，源站点和目标站点将周期性地交换心跳报文，以确认链路的连通性。如果链路故障发生，源站点将在一定时间内未收到目标站点的心跳报文时触发故障检测。它可以在民航TDM網等需要展示高可用性和快速故障响应的场景中发挥重要作用。

二、FRR技术原理

FRR是一种网络故障恢复技术，用于快速恢复网络链路故障。它可以在毫秒级别内检测到链路故障，并迅速切换流量到备用路径，以保证通信的连续性和可靠性。FRR的基本原理和工作机制如下：

1. 备用路径选择。在FRR技术中，网络维护人员事先配置了备用路径。备用路径是另一条与故障链路无关的路径，可以用于快速恢复网络流量。备用路径可以通过静态配置或动态路由协议（如OSPF或BGP）来确定。

2. 心跳检测。在正常情况下，主路径上的链路保持正常通信。同时，FRR技术会周期性地发送心跳包或监测链路状态。如果链路故障发生，FRR技术会立即检测到链路的不可达或异常状态。

3. 快速切换。一旦FRR技术检测到链路故障，它会迅速将流量从主路径切换到备用路径。这一切换是通过更新路由表或转发表来实现的。网络设备会根据预先配置的备用路径信息，重新选择最佳路径，并将流量从故障链路切换到备用路径。

4. 通知和恢复。FRR技术会向网络维护人员发送通知，以确保故障事件被及时知晓。同时，一旦故障链路恢复，FRR技术会自动将流量切换回主路径，以保持正常的网络通信。这样，网络在故障恢复后可以无缝地继续运行。

有效地应用FRR技术，可提高网络可用性、稳定性和安全性，确保网络在链路故障发生时能快速恢复。

三、BFD和FRR在民航TDM网中的应用

BFD和FRR技术在实际应用中通常与动态路由协议（如OSPF、ISIS）、MPLS（多协议标签交换）协议等进行联动配置。通过与这些协议的联动配置，BFD和FRR技术可以提供更全面、可靠的故障检测和恢复机制。在民航TDM网中，BFD和FRR的具体应用场景描述如下：

1. 网络故障快速检测。通过在源站点和目标站点之间定期发送BFD控制报文，BFD技术能够实时监测链路的连通性。一旦链路中断，BFD会立即检测到，并发送通知或触发相应的故障处理程序。

2. 快速链路切换和重路由。将BFD与FRR技术结合可以实现快速链路切换和重路由，确保通信的连续性和可靠性。当BFD检测到链路故障时，FRR技术会自动将数据流量切换到备用链路，避免中断并减少通信延迟。

3. 与动态路由协议ISIS联动。当链路发生故障时，BFD和FRR可以立即通知动态路由协议ISIS，使其能够及时更新路由信息并选择备用路径，确保数据包的顺利转发。这种联动机制可以大幅减少数据包丢失和通信中断的时间，提高民航TDM网的可靠性和稳定性。

需要注意的是，在设计和配置BFD和FRR技术时，需要考虑网络拓扑、链路容量和网络负载等因素，以确保恢复过程的效率和性能。民航TDM网中BFD和FRR与ISIS动态路由协议配置情况如下：

（1）在全局模式下使能BFD功能

［huawei］ bfd

（2）在ISIS视图下配置与BFD和FRR联动

［huawei］ isis 1

［huawei-isis-1］bfd all-interfaces enable

［huawei-isis-1］bfd all-interfaces min-tx-interval 20 min-rx-interval 20 frr-binding

［huawei-isis-1］frr

［huawei-isis-1-frr］loop-free-alternate level-1

［huawei-isis-1-frr］loop-free-alternate level-2

BFD最小接收和发送时间间隔根据实际的网络情况设置。本研究为使实验结果对比明显，设置为20ms。

通过以上应用情景，可以看出BFD和FRR技术在民航TDM网中的重要性和作用。它能够实现网络故障快速检测、快速链路切换和重路由，还实现了与动态路由协议的联动，提高了通信系统的可用性、稳定性和安全性。

四、网络模拟实验

为验证BFD和FRR技术在民航TDM网中的应用效果，研究利用华为的eNSP（Enterprise Network Simulation Platform）网络模拟器进行民航TDM网网络模拟实验。模拟实验中，选择了民航TDM网的部分拓扑结构进行实验。另外，由于模拟器支持的设备类型有限，因此，实验中使用的部分站点设备采用其他型号设备进行替代。站点设备类型的替换对实验结果没有影响。模拟实验的网络拓扑如图1所示。

实验拓扑图中，JR1、JR2、SW1、SW2、HJ1、HJ2这六台设备构成本地网络，完成用户业务的接入和汇聚。HX3、HX4为远端核心网络，完成业务在核心层的汇聚转发。本地网络与远端核心网络之间通过民航传输网设备和租用的运营商链路进行互联。使用网络云（cloud）模拟民航传输网设备和租用的运营商链路。

（一）实验设计

实验模拟了两种情形的链路故障。一种是与设备直接相连的物理链路故障，设备相应端口的物理状态down；另一种是非直连链路故障，实际运行中，多为运营商链路故障。本实验通过分别模拟以上两种情形的链路故障，观察和记录实际的链路故障检测和恢复过程。为验证BFD和FRR技术应用后的效果，通过实验设置，对应用BFD和FRR技术前后两种链路故障后业务传输的丢包率进行对比。具体实验步骤如下：

1. 直连链路故障

如图1所示，将HX3路由器D1端口down掉，模拟业务传输期间与设备直连链路故障。观察HJ1至HX3 D2端口的ping命令的丢包率（实验ping 次数设置为15，下同）。

2. 运营商链路故障

中断cloud1 和cloud4之间的链路，模拟业务传输期间非直连链路故障。观察HJ1至HX3 D2端口的ping命令的丢包率。

3. 配置BFD和FRR与ISIS联动

4. BFD和FRR配置后模拟直连链路故障

5. BFD和FRR配置后模拟非直连链路故障

（二）实验结果和讨论

1. 步骤1实验结果

通过在各相关链路上抓包，对各协议数据包进行分析，明确了链路故障后检测恢复的过程。直连链路故障后，HX3设备立即感知链路故障，并通过LSP报文依次通知各节点设备链路状态的变更情况。HJ1收到LSP报文后，立即更新链路状态数据库，重新计算路由并切换业务至新的路径。HJ1检测到链路故障并恢复的时间是LSP报文在链路上传送的时间以及沿途各路由器数据处理的时间总和。实验测算到，直连链路中断恢复过程中，ping命令的丢包率为6.66%。

2. 步骤2实验结果

非直连链路故障后，HX3设备等待ISIS邻居HJ1的holdtime为0时，检测到链路故障，通过依次发送LSP报文，通知各节点链路状态的改变。HJ1设备收到LSP报文检测到链路故障，更新链路状态数据库，重新计算路由，将业务切换至新的路径。非直连链路故障，设备无法第一时间检测到故障，而是依赖动态路由协议isis的邻居状态判断故障。非直连链路故障的检测恢复时间是holdtime时间，LSP报文传递时间，以及沿途各节点数据处理时间的总和。实验测算到，非直連链路中断恢复过程中，ping命令的丢包率为26.66%。

3. 步骤4实验结果

配置BFD和FRR技术后，直连链路故障，BFD会话状态立即变为down，HJ1检测到链路故障，并将业务通过FRR快速切换到备用路由路径，链路故障检测和恢复时间在毫秒级，实验测算到，其间ping命令的丢包率为0。

4. 步骤5实验结果

配置BFD和FRR技术后，非直连链路故障，BFD会话状态很快变为down，HJ1检测到链路故障，并将业务通过FRR快速切换到备用路由路径，链路故障检测和恢复时间在毫秒级，实验测算到，其间ping命令的丢包率为0。

可见，不论是直连还是非直连链路故障，在配置BFD和FRR技术后，链路故障检测和恢复的时间更快，网络传输业务丢包率大幅降低。实验结果验证了应用BFD和FRR技术在民航TDM网中的有效性和优势。

五、结语

BFD技术在民航TDM网中能够实现快速的链路故障检测。它可以在毫秒级别内检测到链路故障，并快速触发故障处理程序。应用BFD技术能够显著提高网络的可用性和稳定性。FRR技术在民航TDM网中能够实现快速的链路切换和故障恢复。通过与BFD技术的结合，FRR技术能够在链路故障发生时迅速切换流量到备用路径，避免通信中断和延迟。它可以保证民航业务的连续性和可靠性。综上所述，在民航TDM网中应用BFD和FRR技术，对快速的链路故障检测和恢复具有重要意义。

参考文献：

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