解锁网络旁路可靠性设计，让网络畅通无阻(图文)

网络中的 “备用通道”：旁路是什么？

在了解网络旁路可靠性设计之前，我们先来弄清楚什么是网络旁路。大家在生活中或许都遇到过堵车的情况，原本畅通的道路因为交通事故、道路施工等原因变得拥堵不堪，车辆排起了长队，行进速度极其缓慢。这时，如果有一条备用的小路，我们就可以选择从这条小路绕过去，避开拥堵路段，从而更快地到达目的地。
网络旁路就类似于这条备用小路 。在网络系统中，正常情况下数据是按照既定的路径进行传输的，但当网络设备出现故障、网络链路拥堵或者需要进行设备维护等情况时，网络旁路就发挥作用了。它可以让数据绕过出现问题的部分，通过其他路径继续传输，从而保障网络的畅通。
比如，企业的网络中，防火墙是保障网络安全的重要设备，所有进出企业内部网络的数据都需要经过防火墙的检查和过滤。但如果防火墙突然死机或者出现硬件故障，按照正常路径，数据就无法通过，企业网络就会陷入瘫痪。而有了网络旁路设计，当检测到防火墙出现故障时，数据会自动切换到旁路链路，绕过防火墙，直接在内部网络和外部网络之间传输，确保企业网络的正常运行 ，最大程度减少因网络故障带来的业务损失。

为何网络可靠性离不开旁路设计？

了解了网络旁路的概念后，我们再来探讨一下为什么网络可靠性离不开旁路设计。这就好比我们在修建一座桥梁时，除了建造主桥之外，还会考虑修建一条备用的应急通道。一旦主桥出现问题，比如遭受自然灾害损坏、需要进行大规模维修等情况，应急通道就可以发挥作用，确保交通不会中断。网络旁路对于网络可靠性的重要性，就如同这座应急通道对于桥梁交通的重要性一样。下面我们从两个方面来详细分析。

网络安全的 “兜底防线”

在网络安全防护体系中，各种安全设备如防火墙、入侵检测系统（IDS）、入侵防御系统（IPS）等，就像是网络的卫士，时刻守护着网络的安全。它们通过对网络流量的监测、分析和过滤，阻止各种恶意攻击和非法访问，保障网络的正常运行。然而，这些安全设备也并非坚不可摧，它们可能会因为硬件故障、软件漏洞、配置错误或者遭受攻击等原因而出现故障 。一旦这些安全设备发生故障，而网络中又没有旁路设计，那么所有的数据流量都将无法通过故障设备，从而导致网络中断，业务无法正常开展。这对于企业、机构甚至个人来说，都可能带来巨大的损失。
而旁路设计就像是网络安全的 “兜底防线” 。当安全设备出现故障时，旁路系统会自动检测到故障，并迅速将数据流量切换到旁路链路，绕过故障设备，使网络能够继续保持连通。这样，即使安全设备暂时无法正常工作，网络也不会陷入瘫痪，业务仍然可以在一定程度上继续运行，为管理员争取到足够的时间来修复故障设备，从而最大程度地减少网络故障对业务的影响。

解决单点故障的良方

单点故障是网络可靠性的一大威胁。所谓单点故障，是指网络中的某个关键节点或设备一旦出现故障，就会导致整个网络或部分网络无法正常运行。在没有旁路设计的网络中，许多内联设备（如上述提到的防火墙、IDS/IPS 等）都可能成为单点故障源。例如，一台企业核心路由器承担着企业内部网络与外部网络之间的数据转发任务，如果这台路由器出现硬件故障，如电源模块损坏、主板故障等，那么企业内部网络将无法与外部网络通信，企业的各种业务，如电子商务、在线办公、邮件服务等都将无法正常开展。
旁路设计则可以有效地解决单点故障问题 。通过在网络中部署旁路链路和相关的控制设备，当某个内联设备出现故障时，旁路系统可以自动将流量重定向到旁路链路，绕过故障设备，使网络能够继续正常运行。这样，即使某个关键设备出现故障，也不会导致整个网络瘫痪，从而大大提高了网络的可靠性和稳定性。
以一个简单的企业网络为例，企业内部网络通过一台防火墙与外部网络相连。正常情况下，所有进出企业内部网络的数据都需要经过防火墙的检查和过滤。如果防火墙出现故障，在没有旁路设计的情况下，企业网络将与外部网络断开连接，企业的业务将受到严重影响。而在有旁路设计的情况下，当检测到防火墙故障时，旁路系统会自动将数据流量切换到旁路链路，绕过防火墙，使企业网络仍然能够与外部网络通信，企业的业务可以继续正常进行。

网络旁路可靠性设计大揭秘

前面我们已经了解了网络旁路的概念以及它对网络可靠性的重要性，接下来，让我们深入探索网络旁路可靠性设计的奥秘，看看工程师们是如何通过各种巧妙的设计来确保网络在各种复杂情况下都能保持稳定运行的。

基于看门狗的网口 bypass 控制电路

在网络设备中，有一种基于看门狗的网口 bypass 控制电路，它就像是网络设备的 “健康监测员” ，对保障网络旁路的可靠性起着关键作用。
我们先来认识一下看门狗。在电子系统中，看门狗是一个独立的定时器电路，它与设备的 CPU 相互配合工作。正常情况下，CPU 会按照一定的时间间隔向看门狗发送一个信号，这个信号就被形象地称为 “喂狗信号” 。如果 CPU 能够持续按时 “喂狗”，看门狗就知道 CPU 工作正常，系统运行稳定。一旦 CPU 因为各种原因，如软件死机、硬件故障等，不能在规定的时间内发送喂狗信号，看门狗就会认为系统出现了异常 。
在基于看门狗的网口 bypass 控制电路中，当看门狗检测到 CPU 喂狗异常时，它会立即采取一系列措施来保障网络的连通性。一方面，看门狗会发送一个复位信号给 CPU，尝试让 CPU 恢复正常工作 。另一方面，它会将这个异常情况通知给信号处理电路。信号处理电路接收到看门狗发来的信号后，会对信号进行一系列处理，比如延迟、电压比较等，然后输出一个电平信号给 bypass 电路 。bypass 电路根据接收到的电平信号来决定是否开启 bypass 功能。当接收到的电平信号为低电平时，bypass 电路就会开启 bypass 功能，使网口之间直接物理导通，网络数据不再经过故障的网络设备处理，而是直接通过旁路链路传输，从而保证网络的畅通 。当 CPU 恢复正常喂狗后，看门狗不再发送复位信号，信号处理电路输出的电平信号变为高电平，bypass 电路接收到高电平信号后，关闭 bypass 功能，网络数据恢复正常的传输路径 。
这种基于看门狗的网口 bypass 控制电路，通过将 CPU 的喂狗操作与网口 bypass 控制紧密关联，有效地避免了在外部电源异常或者 GPIO（通用输入输出端口）失控等情况下，bypass 功能无法正常打开的问题，极大地提高了 bypass 系统的可靠性 。

旁路 TAP 的工作魔法

接下来，我们要了解的是旁路 TAP，它在网络旁路可靠性设计中也有着独特的作用，就像是网络中的 “智能交通指挥员” ，能够确保网络流量在各种情况下都能顺畅流动。
旁路 TAP，也被称为 “旁路交换机” ，它的主要作用是管理内联工具的可用性，在不中断网络或影响业务可用性的前提下，进行设备的维护或升级 。简单来说，旁路 TAP 可以随时监控内联设备（如防火墙、入侵防御系统等）的运行状态，当内联设备出现故障时，它能够迅速做出反应，让网络流量绕过故障设备，保证网络的正常运行 。
旁路 TAP 是如何实现这一神奇功能的呢？它主要依靠心跳包检测技术 。心跳包是一种软检测技术，就像我们通过检测人的心跳来判断其健康状况一样，旁路 TAP 通过来回传递心跳数据包来检测所连接设备的运行状况 。具体工作过程是这样的：旁路 TAP 将心跳包添加到数据中，然后发送到内联设备的输入端口 。内联设备接收到带有心跳包的数据后，执行其正常的数据处理任务，然后再通过心跳将数据发送回旁路 TAP 。旁路 TAP 从接收到的数据中剥离心跳包，然后将数据发送回现网 。在这个过程中，心跳包永远不会被发送到实时网络中 。如果旁路 TAP 没有收到内联设备发送回来的心跳，就表明设备由于某种原因离线了，这时 TAP 会自动绕过设备，将网络流量切换到旁路链路，即使设备离线也能保持网络畅通 ，从而避免了因内联设备故障而导致的网络停机时间，解决了内联工具导致网络中的单点故障问题 。
除了自动旁路故障设备，旁路 TAP 还在管理内联工具链和实现高可用性部署方面发挥着重要作用 。对于管理多个安全解决方案的 IT 团队来说，需要一种简单的方法来连接所有的内联和带外工具，以有效地保持网络正常运行并确保安全 。旁路 TAP 允许通过多个内联工具传递流量，同时能够通过旁路心跳独立监控每个内联工具的健康状况 。在心跳失败的情况下，可以手动或自动将内联设备移至带外，以便进行管理、更新或优化 。在高可用性部署场景中，当主链路出现故障时，流量可以自动触发到辅助工具或冗余链路，旁路 TAP 提供了 Active/Standby（主备）和 Active/Active（双活）等部署方式，增加了网络的弹性和可靠性 。

光旁路以太网的独特优势

在一些对网络可靠性要求极高的场景，如电力系统、大型数据中心等，光旁路以太网以其独特的优势得到了广泛应用 。它就像是网络中的 “高速公路”，不仅保障了数据的高速传输，还具备出色的可靠性 。
光旁路以太网的结构主要由交换机主电路、热驱动电路、光开关和分光器等部分组成 。在正常运行状态下，光旁路处于断开状态，数据由交换机主电路进行交换传输 。当主电路出现失电或者故障时，热驱动电路就会发挥作用 。热驱动电路依靠热备用电池或高能电容所储存的电能驱动光开关，快速接通旁路光通道 。这样一来，即使主电路出现问题，相邻交换机的光通道依然能够保持畅通，保障了数据的传输 。虽然旁路光通道会存在一定的光功率损耗，但对于传输距离相对较短的配电网光纤通信等场景来说，这种损耗在两相邻以太网交换机光通道之间所占的比例较小，不会对数据传输造成实质性的影响 。
与传统的光纤通信组网方式，如无源光纤网络（PON）和普通以太网组网相比，光旁路以太网在可靠性方面有着显著的优势 。传统的组网方式在增加光纤网络通信的可靠性时，往往需要采用增加并联分支的复杂组网方式，这不仅会使网络结构变得复杂，还会大幅度提高组网成本 。而光旁路以太网通过简单而巧妙的旁路设计，在保障网络可靠性的同时，有效地控制了成本 。在电力系统中，配电线路的分布式保护对通信的可靠性要求极高 。当配电线路发生故障时，有故障电流经过的任一分段开关处的保护终端都需要通过本处及左右相邻开关处的通信设备与相对应的保护终端进行数据交流，以判定故障是否位于本开关供电范围 。光旁路以太网能够很好地满足这种通信需求，确保在各种情况下通信的可靠性，为电力系统的安全稳定运行提供了有力保障 。

实际案例见证旁路可靠性

某数据中心的供电保障

在万物互联的时代，数据中心业务迎来了爆发式增长 。然而，运营数据中心并非易事，不仅要为 IT 设备提供严格的安全保障，还要关注投资、建设、运营、维护以及客户不断增长的业务需求 。先控电气携手 ABB，为某大型数据中心打造的 “一体化 UPS 电力模块系统”，就是一个网络旁路可靠性设计在实际应用中的成功案例 。
该数据中心整体机房按照 T4 标准的容错系统建设，这意味着所有设备、系统、模块都必须具备足够的容量和能力，以规避任何重要负荷停机风险 。先控电气根据这一高标准要求，设计了 8 套一体化 UPS 电力模块系统，每套容量 2.0MW，为 1000 余架 IT 机架提供了完善的电力保障 。
在这套系统中，集中旁路设计成为提升可靠性的关键 。静态旁路作为 UPS 供电系统的最后一道屏障，其重要性不言而喻 。传统的分散式旁路静态开关存在诸多问题，比如控制复杂，各个旁路模块之间无法实现均流控制，一旦任意旁路模块出现故障，都会对整个系统造成影响 。而先控一体化 UPS 电力模块系统采用集中旁路设计，静态开关按照系统最大容量设计，具有切换时间短、可靠性高的优点 。这种设计不仅减少了静态开关的数量，简化了电路结构及控制方式，避免了分散旁路必须同步切换的问题，确保了系统故障时切换的可靠性；还减少了旁路之间的连接，提升了可靠性和抗冲击能力，不存在旁路均流问题，进一步提高了系统的安全性 。
此外，一体化设计在模块化、标准化的基础上，将供配电系统、馈电系统、监控管理系统等集成在一起，所有单元提供 2N 冗余配置，大大提升了系统安全可靠性 。机柜采用 ABB 的 MNS2.0 标准柜型，保证了系统外观和结构的一致性 。相较于传统的 UPS 系统，一体化设计减少了中间连接环节，有效节省了材料成本，缩短了安装工期；连接材料的减少，还提升了整个系统的效率，能效提高了 1% - 2% ；集中式设计使整体结构紧凑，空间节省 1 倍以上，在该项目中共节省出 80 个服务器机柜的位置，这对于寸土寸金的数据机房来说，无疑是一笔非常可观的收益 。
历经一个多月的努力，先控与多方通力协作，一期 4 套设备如期交付，仅用一天时间就将设备安装就位，一天时间通电测试完成 。该系统凭借其出色的可靠性和高效性，为数据中心的稳定运行提供了坚实保障 。

江西瑞昌配电环网通信保障

在电力通信领域，光旁路以太网技术也在保障网络可靠性方面发挥着重要作用 。以江西瑞昌的配电环网改造为例，江西瑞昌 220kV 裕丰变电站供电的 10kV 裕福线与 10kV 黄金西线形成配电环网，该环网在两电源侧分别装备了 1 台线路出口开关和 1 台分段开关用来分段供电，环网中间装备了 1 台联络开关，以便为分段运行的线路提供互为备用电源 。
在进行馈线自动化的改造中，配套的通信环网采用了多波长物理隔离的以太网技术，其中光旁路以太网的应用解决了提高通信系统利用率和分类传输数据的可靠性问题 。该配电环网与三层通信环网配套，每台电力开关的保护监控终端都配套一台交换机，该线路通信环网共有 5 台三层交换机 L3S 与变电站的两台二层交换机 L2S 相连接，共同组成三层通信环网 。
假设 L3S1 为主用交换机，L3S2 为备用交换机，并在黄金西线出口开关断开、联络开关合闸的运行方式下，当线路故障发生在 L2S4 与 L2S5 所在电力开关之间时，有 n = 4 对相邻开关的交换机需要交互传输故障信息 。在这种情况下，光旁路以太网的可靠性得到了充分体现 。正常运行时，光旁路处于断开状态，数据由交换机主电路进行交换传输 。当主电路出现失电或者故障时，热驱动电路依靠热备用电池或高能电容所储存的电能驱动光开关，快速接通旁路光通道，从而保障相邻交换机的光通道畅通 。虽然旁路光通道存在一定的光功率损耗，但对于传输距离相对较短的配电网光纤通信来说，该损耗在两相邻以太网交换机光通道之间所占比例较小，不会对数据传输造成实质性影响 。
通过对该三层通信环网的通信可靠率进行估算，结果显示其能够满足配电线路分布式保护的通信条件 。当配电线路发生故障时，有故障电流经过的任一分段开关处的保护终端都能通过本处及左右相邻开关处的通信设备与相对应的保护终端进行数据交流，从而准确判定故障是否位于本开关供电范围 。这表明光旁路以太网在江西瑞昌配电环网中的应用，有效地保障了通信的可靠性，为电力系统的安全稳定运行提供了有力支持 。

旁路虽好，选型也有门道

在了解了这么多网络旁路可靠性设计的知识和实际案例后，相信大家已经对它的重要性有了深刻的认识。如果你正在考虑为自己的网络系统添加旁路设计，那么接下来的内容可就非常关键了，那就是如何选择合适的旁路设备。

依据网络规模与需求选型

不同规模的网络对旁路设备的性能和功能需求有着很大的差异 。对于小型网络，如家庭网络或者小型办公室网络，由于网络规模较小，设备数量有限，网络流量相对较低，因此对旁路设备的性能要求也相对较低 。在这种情况下，可以选择一些功能较为简单、价格相对亲民的旁路设备，如普通的旁路由 。它可以满足基本的网络扩展、流量分流等需求，帮助提升网络的稳定性和性能 。像一些家庭用户，为了改善网络覆盖死角的问题，会使用树莓派刷入「openwrt」作为旁路由，通过树莓派的自带网口桥接主路由网络，然后通过无线网卡发射无线网络，从而达到扩展网络的目的 。
而对于大型企业网络，情况就复杂得多了 。大型企业网络通常拥有大量的设备，包括服务器、工作站、网络设备等，网络流量巨大且复杂 。同时，企业对网络的可靠性、安全性和稳定性要求极高，因为一旦网络出现故障，可能会给企业带来巨大的经济损失 。因此，大型企业网络需要选择性能强大、功能丰富的旁路设备 。这些设备需要具备高速的数据处理能力，能够应对大量的网络流量；需要具备丰富的功能，如负载均衡、防火墙、入侵检测与防御等，以满足企业对网络安全和性能的严格要求 。在数据中心中，会采用容量大、可靠性高的一体化 UPS 电力模块系统作为旁路设备，其集中旁路设计能够确保在各种复杂情况下，为 IT 设备提供稳定的电力保障 。

考量设备兼容性与可扩展性

在选择旁路设备时，设备的兼容性和可扩展性也是需要重点考虑的因素 。兼容性是指旁路设备能够与现有的网络设备无缝衔接，协同工作 。如果旁路设备与现有网络设备不兼容，可能会导致网络连接不稳定、数据传输异常等问题，严重影响网络的正常运行 。在选择旁路交换机时，需要确保它与网络中的其他设备，如路由器、防火墙、服务器等，在硬件接口、通信协议等方面相互兼容 。同时，还需要考虑设备的软件兼容性，确保旁路设备的管理软件能够与现有网络管理系统集成，方便进行统一的网络管理 。
可扩展性则是指旁路设备能够满足未来网络扩展的需求 。随着企业业务的发展，网络规模可能会不断扩大，网络设备数量会增加，网络流量也会不断增长 。因此，选择的旁路设备需要具备良好的可扩展性，能够方便地进行升级和扩展，以适应未来网络发展的变化 。比如，一些旁路设备支持模块化设计，用户可以根据实际需求添加或更换模块，提升设备的性能和功能 。在选择旁路由时，要考虑其硬件配置是否易于升级，如是否支持增加内存、更换处理器等，以及软件是否支持后续的功能扩展 。

写在最后：畅享网络畅通未来

网络旁路可靠性设计，就像是网络世界的 “安全卫士”，为我们的网络稳定运行保驾护航。它不仅是解决网络单点故障、保障网络安全的关键手段，更是应对日益增长的网络需求、提升网络性能的重要法宝。从基于看门狗的网口 bypass 控制电路，到旁路 TAP 的巧妙工作魔法，再到光旁路以太网的独特优势，每一种技术都在以自己的方式诠释着网络旁路可靠性设计的魅力。
在实际应用中，无论是大型数据中心的供电保障，还是电力系统中配电环网的通信保障，网络旁路可靠性设计都发挥着不可替代的作用，为企业和机构的正常运转提供了坚实的支撑。
所以，如果你是网络技术爱好者，或是企业的网络管理人员，不妨深入了解一下网络旁路可靠性设计，将这些先进的技术合理地应用到实际网络中。相信在网络旁路可靠性设计的加持下，你的网络将更加稳定、高效，为你的工作和生活带来更多的便利和惊喜，让我们一起畅享网络畅通的美好未来！

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