基于鏈路聚合控制協(xié)議的堆疊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

寧 娟，邱逸昌，邵靜怡，劉高同，王 宇

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

基于鏈路聚合控制協(xié)議的堆疊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

寧 娟，邱逸昌，邵靜怡，劉高同，王 宇

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

文章介紹了國內(nèi)最大臥式空間環(huán)境模擬器KM7A的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在該網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用了堆疊網(wǎng)絡(luò)以及鏈路聚合控制協(xié)議（LACP），通過鏈路聚合控制協(xié)議對(duì)所有關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行鏈路綁定，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵設(shè)備和數(shù)據(jù)鏈路的冗余，大大縮短了主/備試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路的切換時(shí)間，避免了單鏈路失效，提升了數(shù)據(jù)傳輸鏈路的穩(wěn)定性和故障容錯(cuò)性。

堆疊網(wǎng)絡(luò)；鏈路聚合控制協(xié)議；空間環(huán)境模擬器

0 引言

KM7A空間環(huán)境模擬器是國內(nèi)最大的臥式空間環(huán)境模擬器，在其系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中采用了鏈路聚合控制協(xié)議，通過堆疊網(wǎng)絡(luò)的連接方式搭建了一套高穩(wěn)定性的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[1]，對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)備和關(guān)鍵鏈路進(jìn)行冗余備份[2]。該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相對(duì)于目前大多空間環(huán)境模擬器采用的單線路以太網(wǎng)或者環(huán)形以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，具有更高的鏈路冗余能力[3]，在單鏈路失效時(shí)不會(huì)影響數(shù)據(jù)通信，并且增強(qiáng)了設(shè)備帶寬，提高了數(shù)據(jù)傳輸鏈路的穩(wěn)定性以及故障容錯(cuò)性。

1 堆疊網(wǎng)絡(luò)

堆疊技術(shù)較多應(yīng)用于以太網(wǎng)交換機(jī)的擴(kuò)展端口，是一種非標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)。堆疊模式為各廠商制定，各個(gè)廠商之間不支持混合堆疊和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。堆疊技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)就是提供簡化的本地管理，即設(shè)置1個(gè)主設(shè)備或邏輯主設(shè)備（即交換機(jī)優(yōu)先級(jí)），使用專門的連接線，通過專用端口將連接后的多個(gè)交換機(jī)視為一個(gè)邏輯整體來使用和管理[4]。交換機(jī)的堆疊模式主要有菊花鏈堆疊模式和星形堆疊模式。菊花鏈堆疊模式利用專用的堆疊電纜，將多臺(tái)交換機(jī)以環(huán)路方式串接成1個(gè)交換機(jī)堆疊組，如圖1所示。星形堆疊模式要求主交換機(jī)有足夠的背板帶寬，并且有多個(gè)堆疊模塊，通過高速堆疊電纜將交換機(jī)的內(nèi)部總線連接成為1條高速鏈路[4]，如圖2所示。另外，堆疊網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)產(chǎn)生性能瓶頸，能提供高密度的集中網(wǎng)絡(luò)端口，堆疊后的設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)管理過程中就變成了1個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，只需要賦予1個(gè)IP地址，方便設(shè)備管理。

圖1 菊花鏈堆疊模式Fig.1 The daisy-chain stacking network

圖2 星形堆疊模式Fig.2 The star stacking network

2 鏈路聚合控制協(xié)議（LACP）

鏈路聚合控制協(xié)議（link aggregation control protocol, LACP）亦稱主干（trunking）或捆綁（bonding）技術(shù)，是在以太網(wǎng)基礎(chǔ)上發(fā)展出的一種擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)帶寬、增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的技術(shù)[5]。

鏈路聚合就是將 2個(gè)或者更多的數(shù)據(jù)信道聚合成1個(gè)帶寬成倍增加的單個(gè)信道。鏈路聚合一般用來連接1個(gè)或多個(gè)帶寬需求大的設(shè)備，例如連接骨干網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器或者服務(wù)器群。聚合在一起的物理鏈路的條數(shù)還可以根據(jù)業(yè)務(wù)的帶寬需求來配置。配置后的邏輯鏈路的帶寬等于被聚合在一起的多條物理鏈路的帶寬之和[6]。因此鏈路聚合具有成本低、配置靈活的優(yōu)點(diǎn)[7]，此外，鏈路聚合還提供了鏈路冗余備份的功能，聚合后的鏈路彼此動(dòng)態(tài)備份，具有較高的可靠性和容錯(cuò)能力，只要其中的1條物理鏈路正常，聚合鏈路就能工作，還可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡[8]。

3 KM7A空間環(huán)境模擬器的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

KM7A空間環(huán)境模擬器的網(wǎng)絡(luò)采用菊花鏈堆疊模式，可分為核心層和接入層2層結(jié)構(gòu)[9]。其中，核心層為 2臺(tái)相同的三層交換機(jī) WS-C3750X-48T-E，由于系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不需要進(jìn)行分布式布置，故對(duì)于這種高密度端口需求的單節(jié)點(diǎn)架構(gòu)選擇以菊花鏈方式進(jìn)行堆疊連接；接入層由若干 WSC2960S-24TS-S和 WS-C2960S-24TS-L交換機(jī)組成，其中4臺(tái)WS-C2960S-24TS-L堆疊交換機(jī)兩兩堆疊，每組各2臺(tái)以菊花鏈的方式進(jìn)行堆疊連接，出2根網(wǎng)線連接到三層交換機(jī)。堆疊交換機(jī)成本較高，因此只選取關(guān)鍵設(shè)備接入堆疊交換機(jī)中，其余設(shè)備接入另外10余臺(tái)不帶堆疊模塊的交換機(jī)中進(jìn)行本機(jī)鏈路聚合，也出 2根網(wǎng)線連接到三層交換機(jī)，并通過聚合鏈路與核心交換機(jī)相連。KM7A空間環(huán)境模擬器星形網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以 WS-C3750X-48T-E三層交換機(jī)作為核心交換機(jī)，WS-C2960S-24TS-S和WS-C2960S-24TS-L交換機(jī)作為接入交換機(jī)，如圖3所示。

圖3 空間環(huán)境模擬器星形網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.3 The framework of star network for space environmental simulator

KM7A的試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)包括14臺(tái)電源機(jī)柜和2臺(tái)數(shù)據(jù)采集機(jī)柜。其中，每臺(tái)電源機(jī)柜有 2個(gè)WS-C2960S-24TS-S交換機(jī)，共計(jì)28個(gè)交換機(jī)；2臺(tái)數(shù)據(jù)采集機(jī)柜共3個(gè)WS-C2960S-24TS-S交換機(jī)。試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)交換機(jī)分布拓?fù)淙鐖D4所示。對(duì)機(jī)柜里的每個(gè)交換機(jī)進(jìn)行鏈路聚合設(shè)置，采用本機(jī)聚合[10]方式出2根網(wǎng)線（圖4中紅線接入1#3750交換機(jī)，黑線接入2#3750交換機(jī)）連接至三層交換機(jī) WS-C3750X-48T-E，在單根網(wǎng)線發(fā)生意外掉線的情況時(shí)不會(huì)對(duì)試驗(yàn)造成影響，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性。

圖4 試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)交換機(jī)分布拓?fù)銯ig.4 The switch’s distribution topology for the test control system

KM7A的設(shè)備測(cè)控系統(tǒng)包括12臺(tái)電腦、3臺(tái)打印機(jī)、7臺(tái)服務(wù)器以及硬盤錄相機(jī)、四級(jí)質(zhì)譜儀等相關(guān)設(shè)備，通過4臺(tái)帶堆疊模塊的WS- C2960S-24TS-L二級(jí)交換機(jī)和 5臺(tái)不帶堆疊模塊的 WSC2960S-24TS-S二級(jí)交換機(jī)進(jìn)行級(jí)聯(lián)，連接到WSC3750X-48T-E三層交換機(jī)上。設(shè)備測(cè)控系統(tǒng)交換機(jī)分布拓?fù)淙鐖D5所示。其中，每臺(tái)堆疊交換機(jī)只需要1根網(wǎng)線接入其中1臺(tái)三層交換機(jī)，不帶堆疊模塊的二級(jí)交換機(jī)通過本機(jī)聚合的方式出 2根網(wǎng)線（圖5中紅線接入 1#3750交換機(jī)，黑線接入2#3750交換機(jī)）連接至三層交換機(jī)。

圖5 設(shè)備測(cè)控系統(tǒng)交換機(jī)分布拓?fù)銯ig.5 The switch’s distribution topology for the equipment control system

4 鏈路聚合冗余網(wǎng)絡(luò)測(cè)試與應(yīng)用

為了對(duì)KM7A空間環(huán)境模擬器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)可行性進(jìn)行驗(yàn)證，在整個(gè)系統(tǒng)搭建前先進(jìn)行模擬網(wǎng)絡(luò)測(cè)試，檢驗(yàn)整個(gè)系統(tǒng)的冗余性。通過對(duì)實(shí)物搭建系統(tǒng)的模擬使用，預(yù)知項(xiàng)目實(shí)施時(shí)可能出現(xiàn)的難點(diǎn)，補(bǔ)足規(guī)劃時(shí)遺漏的部分[11]。本次主要測(cè)試KM7A綜合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境堆疊模式下的聚合鏈路冗余性，通過模擬通信鏈路故障來檢驗(yàn)堆疊網(wǎng)絡(luò)的安全性及可靠性。

4.1 堆疊模式下聚合鏈路冗余性測(cè)試

采用2臺(tái)WS-C3750X-48T-E、2臺(tái)WS-C2960S-24TS-L、堆疊模塊、1臺(tái)雙網(wǎng)口計(jì)算機(jī)及網(wǎng)線若干進(jìn)行堆疊模式下的聚合鏈路冗余性測(cè)試。2臺(tái)WS-C3750X-48T-E利用自帶堆疊線纜和帶有堆疊模塊的2臺(tái)WS-C2960S-24TS-L分別完成菊花鏈?zhǔn)蕉询B。從管理邏輯上形成2組設(shè)備，分別命名為3750組及2960組，組內(nèi)組員分別命名為3750A、3750B、2960A、2960B。在每臺(tái)物理設(shè)備中選取1個(gè)物理端口，將3750A的1個(gè)端口與3750B的1個(gè)端口進(jìn)行聚合，啟用鏈路聚合控制協(xié)議（LACP）。2960A的端口與 2960B的端口進(jìn)行聚合，并通過網(wǎng)線將3750組與2960組啟用LACP的端口進(jìn)行連接。堆疊模式下聚合鏈路冗余測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)如圖6所示。WS-C3750X-48T-E為三層交換機(jī)，對(duì)啟用 LACP協(xié)議的端口組配置IP地址，作為接入PC網(wǎng)關(guān)，接入PC通過雙鏈路連接至另一個(gè)2960端口組，正常狀態(tài)下接入交換機(jī)常Ping網(wǎng)關(guān)，無丟包現(xiàn)象，則完成基本測(cè)試環(huán)境網(wǎng)絡(luò)搭建。

圖6 堆疊模式下聚合鏈路冗余測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)Fig.6 The framework of LACP redundant test based on stacking network

交換機(jī)設(shè)置完成后，通過博通網(wǎng)卡軟件對(duì)計(jì)算機(jī)雙網(wǎng)口進(jìn)行設(shè)置，合并為Team網(wǎng)絡(luò)連接，網(wǎng)卡線路速度增倍，由原來單網(wǎng)卡的 1 Gbit/s變?yōu)? Gbit/s。

網(wǎng)絡(luò)搭建完成后，進(jìn)行故障測(cè)試，拔除3750組與2960組之間的任意1根連線，通過Ping指令，如果數(shù)據(jù)包丟失數(shù)量≤1，則表示測(cè)試成功；將測(cè)試電腦接入2960組另一物理交換機(jī)，重復(fù)模擬。

測(cè)試結(jié)果表明：當(dāng)斷開1條鏈路后，丟失1個(gè)數(shù)據(jù)包，并且線路速度從2 Gbit/s降至1 Gbit/s；當(dāng)網(wǎng)線線路恢復(fù)時(shí)，對(duì)鏈路沒有任何影響，線路速度恢復(fù)為2 Gbit/s。帶堆疊模塊的交換機(jī)WS-C2960S-24TS-L通過聚合鏈路連接到三層交換機(jī)上，避免了單臺(tái)交換機(jī)出現(xiàn)故障或者單根網(wǎng)線意外掉線對(duì)試驗(yàn)造成影響。

4.2 非堆疊模式下聚合鏈路冗余性測(cè)試

根據(jù)圖7進(jìn)行物理環(huán)境搭建，非堆疊2960交換機(jī)通過本機(jī)2端口聚合鏈路模式分別與2臺(tái)3750交換機(jī)的聚合端口組相連。

圖7 非堆疊模式下聚合鏈路冗余測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.7 The framework of redundant test for LACP based on non-stacking network

網(wǎng)絡(luò)搭建完成后進(jìn)行故障測(cè)試：拔除3750組與非堆疊2960交換機(jī)之間的任意1根連線，通過Ping指令，當(dāng)斷開1條鏈路后，丟失1個(gè)數(shù)據(jù)包，并且線路速度從2 Gbit/s降至1 Gbit/s；當(dāng)網(wǎng)線線路恢復(fù)時(shí)，對(duì)鏈路沒有任何影響，線路速度恢復(fù)為2 Gbit/s。這表明非堆疊模式下的鏈路冗余性可以避免單根網(wǎng)線意外掉線對(duì)試驗(yàn)造成影響的狀況出現(xiàn)。

4.3 KM7A跨網(wǎng)段互通測(cè)試

根據(jù)圖7搭建的測(cè)試環(huán)境，接入電腦模擬最終用戶，將2臺(tái)WS-C2960S-24TS-S交換機(jī)劃分至不同VLAN，分別為VLAN10、VLAN20。VLAN10的 IP地址設(shè)為 10.70.69.254，VLAN20的設(shè)為192.168.0.254，網(wǎng)關(guān)均設(shè)置為255.255.255.0。電腦常Ping核心交換機(jī)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明可以實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)段互通。

5 結(jié)束語

KM7A空間環(huán)境模擬器已經(jīng)完成了多個(gè)型號(hào)衛(wèi)星的熱真空試驗(yàn)，基于LACP的堆疊網(wǎng)絡(luò)通過了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的實(shí)際考驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵設(shè)備和數(shù)據(jù)鏈路的冗余，大大縮短了主/備試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路的切換時(shí)間，增強(qiáng)了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。本文提出的基于LACP協(xié)議的堆疊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法可為以后的空間環(huán)境模擬器網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供新方法，在空間環(huán)境模擬器網(wǎng)絡(luò)管理和維護(hù)中具實(shí)際應(yīng)用意義。

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（編輯：馮露漪）

Design and application of stacking network based on LACP

NING Juan, QIU Yichang, SHAO Jingyi, LIU Gaotong, WANG Yu
(Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

This paper presents the network architecture of KM7A, which is the largest horizontal space environment simulator in China.The stacking network and the LACP (link aggregation control protocol) are applied in this network.All pivotal equipment are channel bonded via the LACP to realize the redundancy of the key equipment and the data channel, to reduce the switching time of the data channel for the active-standby test network, to avoid the single-link failure, and to advance the stability and fault tolerance of the data transmission link.

stacking network; LACP; space environment simulator

TP393.09

：A

：1673-1379(2016)06-0664-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.06.016

寧 娟（1984—），女，碩士學(xué)位，主要從事空間環(huán)境模擬器測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)工作。E-mail: ningjuan_buaa_ee@126.com。

2016-04-27；

：2016-12-14