基于MSTP+VRRP的高可靠性園區(qū)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實現(xiàn)

譚志勇+李進(jìn)生

摘 要： 相對于傳統(tǒng)園區(qū)網(wǎng)絡(luò)，核心設(shè)備及到核心設(shè)備鏈路的冗余設(shè)計能減少網(wǎng)絡(luò)中存在的單點故障，提高園區(qū)網(wǎng)絡(luò)的可靠性，但同時也會帶來網(wǎng)絡(luò)環(huán)路及鏈路閑置等問題。本文在分析MSTP和VRRP協(xié)議工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計并實現(xiàn)園區(qū)網(wǎng)絡(luò)的MSTP+VRRP策略。通過MSTP協(xié)議來消除冗余鏈路帶來的網(wǎng)絡(luò)環(huán)路和實現(xiàn)冗余鏈路上的負(fù)載分擔(dān)，通過VRRP協(xié)議來備份網(wǎng)關(guān)和實現(xiàn)外網(wǎng)訪問的負(fù)載分擔(dān)。eNSP上的仿真測試結(jié)果表明，規(guī)劃設(shè)計的園區(qū)網(wǎng)絡(luò)在可靠性方面取得了很好效果，達(dá)到了預(yù)期目的。

關(guān)鍵詞： 園區(qū)網(wǎng)絡(luò)； 高可靠性； MSTP； VRRP

中圖分類號：TP393.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2018）02-35-05

Abstract： Compared with the traditional park network， redundancy design on the core device and the link to core layer can decrease the single point of failure to improve the reliability of the park network， but also bring other problems like loops and link idle events. Based on the analysis of the working principle of MSTP and VRRP protocol， this paper designs and implements the strategy of MSTP+VRRP on the park network. With MSTP protocol， the loops caused by redundant links are cancelled and the load sharing on redundant links are realized； with VRRP protocol， the gateway backup and the load sharing are realized for accessing the external network. The result of simulating and testing with eNSP shows that， the park network planned and designed can obtain good effects in reliability， which achieves the expected purpose.

Key words： park network； high reliability； MSTP； VRRP

0 引言

網(wǎng)絡(luò)是園區(qū)信息化建設(shè)的基礎(chǔ)，有了覆蓋園區(qū)的網(wǎng)絡(luò)，園區(qū)內(nèi)的各種信息數(shù)據(jù)才能傳輸。相對于傳統(tǒng)園區(qū)網(wǎng)絡(luò)，目前的園區(qū)網(wǎng)絡(luò)大多使用雙核心，且各匯聚層交換機(jī)與核心層之間使用雙鏈路，這樣設(shè)備及鏈路均達(dá)到冗余。在此基礎(chǔ)上，基于MSTP+VRRP的設(shè)計策略可以使園區(qū)網(wǎng)絡(luò)的可靠性得到很好保證[1]。

1 MSTP協(xié)議概述

在傳統(tǒng)園區(qū)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，如果單臺核心設(shè)備或到核心設(shè)備的單條鏈路出現(xiàn)故障，會影響整個園區(qū)網(wǎng)的正常使用，甚至導(dǎo)致園區(qū)網(wǎng)陷入癱瘓。因此，通常使用冗余設(shè)計來提高園區(qū)網(wǎng)絡(luò)的可靠性[2]。額外添加的設(shè)備和鏈路能解決單點故障帶來的問題，但同時也會出現(xiàn)流量環(huán)路，進(jìn)而帶來廣播風(fēng)暴、數(shù)據(jù)幀重復(fù)和MAC地址表震蕩等問題，最終導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不可用。

生成樹協(xié)議是為解決交換網(wǎng)絡(luò)中存在的環(huán)路問題而被提出的。交換網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備利用生成樹協(xié)議，通過信息交互來發(fā)現(xiàn)環(huán)路，并通過選擇性地阻塞某個端口來把環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)修剪成無環(huán)的樹形結(jié)構(gòu)[3]。

生成樹協(xié)議共經(jīng)歷了生成樹協(xié)議STP、快速生成樹協(xié)議RSTP和多生成樹協(xié)議MSTP幾個階段[4-6]。從STP到RSTP再到MSTP，新的生成樹協(xié)議一方面能兼容原有的生成樹協(xié)議，另一方面也改進(jìn)了性能。下面分別對STP、RSTP和MSTP的工作原理進(jìn)行分析。

1.1 STP工作原理

網(wǎng)絡(luò)中的多臺交換機(jī)上運行STP后，它們之間會彼此交互BPDU報文，然后根據(jù)BPDU報文信息選出一臺交換機(jī)作為根橋。根橋定時發(fā)送BPDU，其他交換機(jī)接收并轉(zhuǎn)發(fā)BPDU。如果一臺交換機(jī)的多個端口收到BPDU，就說明這臺交換機(jī)有多條路徑到根橋，即網(wǎng)絡(luò)中存在環(huán)路，此時通過配置交換機(jī)的端口角色來選出一條到達(dá)根橋的最短路徑。最短路徑上的端口角色為根端口或指派端口，處于Forwarding（轉(zhuǎn)發(fā)）狀態(tài)；不是根端口或指派端口的端口處于Blocking（阻塞）狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)流量無法進(jìn)入或流出。

從STP的工作原理可以看出，其生成樹的構(gòu)造是基于BPDU的。BPDU中的關(guān)鍵參數(shù)信息有橋ID（BID）、路徑開銷（CoP）和端口ID（PID）等[7]。

BID由交換機(jī)的優(yōu)先級和交換機(jī)的MAC地址組成，即BID（8字節(jié)）=橋優(yōu)先級（2字節(jié)）+橋MAC地址（6字節(jié)）。

CoP是一個基于端口開銷的變量，不同速率的端口開銷默認(rèn)值不同。CoP等于從根交換機(jī)到目的交換機(jī)進(jìn)入方向的端口開銷之和。

PID由端口優(yōu)先級和端口號組成，即PID（16位）=端口優(yōu)先級（4位）+端口號（12位）。

運行STP的交換網(wǎng)絡(luò)經(jīng)以下四步變成無環(huán)的樹形結(jié)構(gòu)。

⑴ 選舉根橋。

一開始每臺交換機(jī)都認(rèn)為自己是根橋并向外發(fā)送BPDU。通過交互BPDU，BID最小的交換機(jī)成為根橋，其他交換機(jī)成為非根交換機(jī)。

⑵ 選舉每臺非根交換機(jī)的根端口。endprint

非根交換機(jī)可能有多個端口收到來自根橋的BPDU，需要從這多個端口中選出一個根端口。選舉原則是依次比較路徑開銷CoP、發(fā)送者的BID、發(fā)送者的PID和接收者的PID，值最小則成為根端口，若相同則比較下一參數(shù)。

⑶ 選舉每個網(wǎng)段的指派端口。

每個網(wǎng)段都有一臺交換機(jī)負(fù)責(zé)把網(wǎng)段的數(shù)據(jù)發(fā)往根交換機(jī)，這臺交換機(jī)被稱作指派交換機(jī)，指派交換機(jī)上的端口稱為指派端口，故指派端口的選舉就是指派交換機(jī)的選舉。選舉原則是依次比較路徑開銷CoP和BID，值最小則成為指派交換機(jī)，值相同則比較下一參數(shù)。選出指派交換機(jī)后，若其上有多個端口連接到同一網(wǎng)段，則PID最小的端口成為指派端口。

⑷ 阻塞端口。

選出交換機(jī)的根端口和指派端口后，交換機(jī)上連到網(wǎng)絡(luò)中的其他端口被阻塞，成為阻塞端口。

1.2 RSTP工作原理

STP雖能消除網(wǎng)絡(luò)環(huán)路，但是收斂速度慢（至少需要30s），這無疑會影響通信質(zhì)量。為此IEEE 802.1W中提出了RSTP協(xié)議，RSTP一方面兼容STP，另一方面也大大提高了收斂速度（最快1s以內(nèi)）[8]。

相對于STP，RSTP的優(yōu)勢主要是在以下兩個方面。

一是根端口有替代端口作為備份，指派端口有備份端口作為備份[9]，一旦根端口或指派端口失效，就迅速切換到替代端口或備份端口。

二是直連終端的端口可以被設(shè)置為邊緣端口并始終處在Forwarding狀態(tài)。

1.3 MSTP工作原理

無論是STP還是RSTP，一旦端口被阻塞，該端口所在的鏈路就無法承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)流量，這無疑造成了鏈路浪費。

為彌補(bǔ)STP和RSTP的缺陷，IEEE 802.1S中定義了MSTP協(xié)議。MSTP既實現(xiàn)了快速收斂，又實現(xiàn)了數(shù)據(jù)流量的負(fù)載分擔(dān)[10]。

MSTP對一個交換網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行劃分，劃分后的區(qū)域被稱為MST域。每個MST域內(nèi)可以構(gòu)建多棵生成樹，樹之間互不影響各自獨立，每顆樹被稱為一個多生成樹實例MSTI。然后再將VLAN和MSTI對應(yīng)起來，每個VLAN對應(yīng)某一個MSTI，該VLAN的數(shù)據(jù)只在該MSTI中傳輸，這樣不同VLAN的數(shù)據(jù)就在各自對應(yīng)的MSTI中傳輸，從而在消除網(wǎng)絡(luò)環(huán)路的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了負(fù)載分擔(dān)[11]。

2 MSTP策略的設(shè)計與實現(xiàn)

為保證園區(qū)骨干網(wǎng)絡(luò)的可靠性，園區(qū)網(wǎng)絡(luò)使用雙核心，且園區(qū)網(wǎng)各匯聚層交換機(jī)到兩臺核心交換機(jī)之間使用雙鏈路。要解決冗余鏈路帶來的環(huán)路問題并實現(xiàn)負(fù)載分擔(dān)，須設(shè)計園區(qū)網(wǎng)的MSTP策略。

為了更好地描述園區(qū)網(wǎng)絡(luò)中各VLAN流量的走向，現(xiàn)對匯聚層交換機(jī)與核心層交換機(jī)之間的鏈路進(jìn)行編號，如圖1所示。

設(shè)計詳細(xì)的“VLAN-鏈路”對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

為使園區(qū)網(wǎng)的VLAN流量按表1所示的路徑傳輸，在園區(qū)網(wǎng)絡(luò)中定義一個MST域為PNMSTP，核心交換機(jī)和各匯聚交換機(jī)都加入該域，并在PNMSTP域中定義兩個MSTI。詳細(xì)的“MST域、MSTI和VLAN”對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

結(jié)合圖1，從表2中可以看出，對于MSTI1中對應(yīng)的VLAN，匯聚層交換機(jī)到核心層交換機(jī)左邊的鏈路為轉(zhuǎn)發(fā)路徑，右邊的鏈路為備用路徑；對于MSTI2中對應(yīng)的VLAN，右邊的鏈路為轉(zhuǎn)發(fā)路徑，而左邊的鏈路為備用路徑。據(jù)此，定義兩臺核心交換機(jī)在各MSTI中的角色及各匯聚層交換機(jī)上要阻塞的端口如表3所示。

具體配置如下（僅以兩臺核心交換機(jī)和匯聚層交換機(jī)“PN-DS-5700-1”為例）：

⑴ 配置三臺交換機(jī)到域PNMSTP內(nèi)，創(chuàng)建實例MSTI1和實例MSTI2。

[PN-CS-7700-1] stp region-configuration

[PN-CS-7700-1-mst-region]region-name PNMSTP

[PN-CS-7700-1-mst-region] instance 1 vlan 101 to 110

[PN-CS-7700-1-mst-region] instance 2 vlan 111 to 120

[PN-CS-7700-1-mst-region] active region-configuration

⑵ 在域PNMSTP內(nèi)，配置MSTI1與MSTI2的根橋。

[PN-CS-7700-1] stp instance 1 priority 4096

[PN-CS-7700-2] stp instance 2 priority 4096

⑶ 匯聚層交換機(jī)“PN-DS-5700-1”的GE0/0/23端口在實例MSTI2中的開銷設(shè)為20000，GE0/0/24端口在實例MSTI1中的開銷設(shè)為20000。

[PN-DS-5700-1] interface Gigabitethernet 0/0/23

[PN-DS-5700-1-GigabitEthernet0/0/23] stp instance

2 cost 20000

[PN-DS-5700-1-GigabitEthernet0/0/23] interface

Gigabitethernet 0/0/24

[PN-DS-5700-1-GigabitEthernet0/0/24] stp instance

1 cost 20000

3 VRRP協(xié)議概述

MSTP解決了鏈路冗余帶來的環(huán)路問題，并實現(xiàn)了VLAN數(shù)據(jù)流的鏈路選擇，而VRRP則提供了網(wǎng)關(guān)冗余。MSTP和VRRP的結(jié)合才能保證通信的可靠性與連續(xù)性[12]。endprint

VRRP即虛擬路由冗余協(xié)議[13]，網(wǎng)絡(luò)中運行該協(xié)議的一組路由設(shè)備稱為一個VRRP備份組，這組路由設(shè)備因角色不同而分為活動路由設(shè)備Master（僅一臺）和備用路由設(shè)備Backup（若干臺），但最終呈現(xiàn)在終端面前的只是一臺虛擬路由設(shè)備，如圖2所示。

圖2所示的網(wǎng)絡(luò)中，路由器RA、RB和RC上運行VRRP后，三臺路由器構(gòu)成一個VRRP備份組并被虛擬成一臺路由器R，其IP地址是192.168.1.254。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的主機(jī)只需知道網(wǎng)關(guān)即虛擬路由器R的IP地址即可。主機(jī)把發(fā)往外部網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包交給虛擬路由器R處理，但實際的處理工作由Master路由器進(jìn)行。一旦Master路由器無法工作，VRRP備份組中的Backup路由器就選舉產(chǎn)生新的Master來繼續(xù)為主機(jī)提供路由。

VRRP備份組中的Master是根據(jù)路由器的優(yōu)先級來選舉產(chǎn)生，優(yōu)先級高的路由器成為Master[14]。優(yōu)先級的高低與其取值成正比，取值越大優(yōu)先級越高。

4 VRRP策略的設(shè)計與實現(xiàn)

園區(qū)網(wǎng)絡(luò)中，所有VLAN的網(wǎng)關(guān)都定義在兩臺核心交換機(jī)上。為提高園區(qū)網(wǎng)絡(luò)的可靠性，在這兩臺核心交換機(jī)上設(shè)計VRPP策略，為每個VLAN定義一個VRRP備份組，每個VRRP備份組對應(yīng)一個虛擬的網(wǎng)關(guān)地址。設(shè)計兩臺核心交換機(jī)在各VRRP組中的角色如表4所示。

兩臺核心交換機(jī)中VLAN接口的IP地址和VRRP組的對應(yīng)關(guān)系如表5所示（僅以VLAN101和VLAN111為例）。

具體配置如下（僅以VLAN101和VLAN111為例）：

⑴ 在核心交換機(jī)“PN-CS-7700-1”和“PN-CS-7700-2”上創(chuàng)建VRRP備份組101，“PN-CS-7700-1”優(yōu)先級設(shè)為120，成為Master；“PN-CS-7700-2”優(yōu)先級保持默認(rèn)值，成為Backup。

[PN-CS-7700-1] interface Vlanif 101

[PN-CS-7700-1-Vlanif101] ip address 10.0.101.251 24

[PN-CS-7700-1-Vlanif101] vrrp vrid 101 virtual-ip

10.0.101.254

[PN-CS-7700-1-Vlanif101] vrrp vrid 101 priority 120

[PN-CS-7700-2] interface Vlanif 101

[PN-CS-7700-2-Vlanif101] ip address 10.0.101.252 24

[PN-CS-7700-2-Vlanif101] vrrp vrid 101 virtual-ip

10.0.101.254

⑵ 在核心交換機(jī)“PN-CS-7700-1”和“PN-CS-7700-2”上創(chuàng)建VRRP備份組111，“PN-CS-7700-2”的優(yōu)先級設(shè)為120，成為Master；“PN-CS-7700-1”的優(yōu)先級保持默認(rèn)值，成為Backup。

[PN-CS-7700-2] interface Vlanif 111

[PN-CS-7700-2-Vlanif111] ip address 10.0.111.252 24

[PN-CS-7700-2-Vlanif111] vrrp vrid 111 virtual-ip

10.0.111.254

[PN-CS-7700-2-Vlanif111] vrrp vrid 111 priority 120

[PN-CS-7700-1] interface vlanif 111

[PN-CS-7700-1-Vlanif111] ip address 10.0.111.251 24

[PN-CS-7700-1-Vlanif111] vrrp vrid 111 virtual-ip 10.0.111.254

⑶ 在“PN-CS-7700-1”上配置VRRP備份組101監(jiān)視上聯(lián)端口GE0/0/24，若GE0/0/24端口Down掉，則該交換機(jī)在VRRP備份組101中的優(yōu)先級會減去30；同理，在“PN-CS-7700-2”上配置VRRP備份組111監(jiān)視上聯(lián)端口GE0/0/24。這樣，當(dāng)被監(jiān)視的上聯(lián)端口Down掉時，通過調(diào)整交換機(jī)的優(yōu)先級來觸發(fā)主備切換，保證了數(shù)據(jù)的正常轉(zhuǎn)發(fā)。

[PN-CS-7700-1] interface Vlanif 101

[PN-CS-7700-1-Vlanif101] vrrp vrid 101 track interface

gigabitethernet 0/0/24 reduced 30

[PN-CS-7700-2] interface Vlanif 111

[PN-CS-7700-2-Vlanif111] vrrp vrid 111 track interface

gigabitethernet 0/0/24 reduced 30

5 實驗仿真及測試

5.1 實驗拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

eNSP是華為開發(fā)的一款網(wǎng)絡(luò)仿真工具平臺，可以對華為系列的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品進(jìn)行模擬仿真 [15]。由于eNSP中開啟設(shè)備越多，占用資源越大，因此實驗只選取了園區(qū)網(wǎng)絡(luò)中的代表性設(shè)備，實驗的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3。

圖3中，路由器“ISP-Router-1”和“ISP-Router-2”表示外部網(wǎng)絡(luò)。兩臺路由器上各設(shè)置一個環(huán)回口（即loopback接口），環(huán)回口的IP地址為100.100.100.100/24。endprint

選取的園區(qū)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為兩臺核心層交換機(jī)“PN-CS-7700-1”和“PN-CS-7700-2”，匯聚層交換機(jī)“PN-DS-5700-4”及接入層交換機(jī)“PN-AS-3700-27”。DHCP服務(wù)器用兩臺路由器模擬，且僅以VLAN11為例?！癠ser-PC”為交換機(jī)“PN-AS-3700-27”上的一臺接入PC。

5.2 測試結(jié)果

5.2.1 連通性測試

在“User-PC”上ping外網(wǎng)地址100.100.100.100，顯示能ping通，如圖4所示。

5.2.2 可靠性測試

⑴ 兩臺核心交換機(jī)和匯聚交換機(jī)上運行STP協(xié)議。在“User-PC”上連續(xù)ping外網(wǎng)地址100.100.100.100，然后關(guān)閉交換機(jī)“PN-DS-5700-4”的GE0/0/23端口，模擬該端口所在鏈路出現(xiàn)故障。結(jié)果在鏈路切換過程中出現(xiàn)23個丟包，斷網(wǎng)時間較長。

⑵ 兩臺核心交換機(jī)和匯聚交換機(jī)上運行MSTP協(xié)議，并按⑴中步驟進(jìn)行測試。測試結(jié)果如圖5所示。

當(dāng)交換機(jī)“PN-DS-5700-4”的GE0/0/23端口所在鏈路發(fā)生故障時，原阻塞端口GE0/0/24迅速進(jìn)入Forwarding狀態(tài)，鏈路切換過程中僅出現(xiàn)一個丟包。

⑶ 在上一步的基礎(chǔ)上，重新開啟交換機(jī)“PN-DS -5700-4”的GE0/0/23端口。接著關(guān)閉交換機(jī)“PN-CS-7700-1”的GE0/0/24端口，模擬核心交換機(jī)“PN-CS-7700-1”的出口鏈路發(fā)生故障。測試結(jié)果如圖6所示。

當(dāng)核心交換機(jī)“PN-CS-7700-1”宕機(jī)，或GE0/0/23端口所在的出口鏈路發(fā)生故障時，VRRP備份組11中的原Backup設(shè)備“PN-CS-7700-2”迅速成為Master并繼續(xù)提供服務(wù)，切換過程中僅出現(xiàn)一個丟包。

6 結(jié)束語

本文在分析MSTP和VRRP協(xié)議的基礎(chǔ)上，設(shè)計并實現(xiàn)基于MSTP+VRRP的園區(qū)網(wǎng)絡(luò)?；贛STP+VRRP設(shè)計實現(xiàn)的園區(qū)網(wǎng)絡(luò)，通過設(shè)備及鏈路的冗余來有效避免因單點故障導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)不可用，提高了園區(qū)網(wǎng)絡(luò)的可靠性。通過仿真實驗，驗證了設(shè)計實現(xiàn)的園區(qū)網(wǎng)絡(luò)具有較高的可靠性。如何解決復(fù)雜環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)的安全性是今后研究的重點。

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