基于堆疊技術(shù)實(shí)現(xiàn)核心交換機(jī)冗余設(shè)計(jì)探究

朱新義

摘要：在互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)數(shù)據(jù)中心技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)持續(xù)發(fā)展與更新的背景下，網(wǎng)絡(luò)的工作模式發(fā)生了非常深刻的改變。多媒體技術(shù)的應(yīng)用對(duì)提升工作效率，改進(jìn)用戶體驗(yàn)，完善系統(tǒng)性能均具有非常重要的意義。本文嘗試研究一種基于堆疊技術(shù)的核心交換機(jī)設(shè)計(jì)方案，對(duì)交換機(jī)堆疊的基本概念進(jìn)行分析，并就交換機(jī)堆疊的性能、可靠性、可維護(hù)性及發(fā)展趨勢(shì)展開研究，僅供各方參考。

關(guān)鍵詞：核心交換機(jī);冗余設(shè)計(jì);堆疊技術(shù);轉(zhuǎn)方面堆疊;控制面堆疊

一、交換機(jī)堆疊

交換機(jī)堆疊是指將兩臺(tái)或多臺(tái)交換機(jī)的虛擬成一臺(tái)交換機(jī)，與集中式控制一樣，對(duì)外呈現(xiàn)出一個(gè)控制面，一方面能夠在空間有限的前提下提供盡可能充分的端口支持，增加系統(tǒng)交換帶寬，另一方面通過一個(gè)控制平臺(tái)下發(fā)全局成員的配置，便于網(wǎng)絡(luò)的管理維護(hù)。在交換機(jī)堆疊相關(guān)性能指標(biāo)中，最大可堆疊數(shù)是指一個(gè)獨(dú)立堆疊單元中可支持的組合交換機(jī)數(shù)量最大值，它代表一個(gè)堆疊系統(tǒng)所能提供的最大端口密度。目前技術(shù)條件支持下，按交換機(jī)組網(wǎng)的拓?fù)鋪矸郑谝皇擎準(zhǔn)蕉询B，多臺(tái)交換機(jī)組成一個(gè)鏈，為了提供網(wǎng)絡(luò)的可靠性，也可以組成環(huán)形堆疊;第二則是星型堆疊，目前多見于端口密度較高且效率要求較高的局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中。按交換機(jī)的業(yè)務(wù)層面來分，又分為控制面堆疊，即有系統(tǒng)主管理所有成員設(shè)備的加入、退出等;與控制面對(duì)應(yīng)的是轉(zhuǎn)方面堆疊，由主設(shè)備管理各成員設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)，如主設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)拓?fù)溆?jì)算并下轉(zhuǎn)發(fā)表。通常說的堆疊是指轉(zhuǎn)方面與業(yè)務(wù)面都組成堆疊，堆疊管理鏈路與堆疊轉(zhuǎn)發(fā)鏈路可以合一，也可以分開。如果僅僅轉(zhuǎn)發(fā)面堆疊，控制面不堆疊，通常叫mlag。為了適應(yīng)數(shù)據(jù)中心的組網(wǎng)拓?fù)?，有演化出混堆，即spine-leaf模型，spine即父節(jié)點(diǎn)，可單臺(tái)，也可以多臺(tái)交換機(jī)組成堆疊，下掛leaf節(jié)點(diǎn)。

二、堆疊實(shí)現(xiàn)原理

先介紹幾個(gè)堆疊的背景知識(shí)，堆疊成員設(shè)備根據(jù)堆疊角色分為系統(tǒng)主，堆疊系統(tǒng)的管理者;系統(tǒng)備，系統(tǒng)主退出后升系統(tǒng)主;系統(tǒng)從，即成員設(shè)備，系統(tǒng)主設(shè)備與系統(tǒng)備設(shè)備都退出后，成員設(shè)備重啟。堆疊端口，很多廠商都實(shí)現(xiàn)了靈活堆疊，不用專門的堆疊模塊，用于堆疊的端口也是普通的端口，需要做工作模式切換，當(dāng)被用作堆疊口時(shí)則將該端口配置為堆疊端口模式。插在堆疊端口上的光模塊線纜也是普通的光模塊與線纜，將普通口配置為堆疊口，插上線纜，就可以組建堆疊。管理報(bào)文的優(yōu)先級(jí)高于業(yè)務(wù)報(bào)文，所以就是出現(xiàn)廣播風(fēng)暴，管理報(bào)文也不受影響，堆疊報(bào)文與業(yè)務(wù)報(bào)文一起轉(zhuǎn)發(fā)沒有可靠性問題。

以華為的數(shù)據(jù)中心交換機(jī)設(shè)備為例，介紹下交換機(jī)堆疊實(shí)的現(xiàn)原理。對(duì)于盒式備堆疊，管理通道與轉(zhuǎn)發(fā)通道是合一的，也就是說管理消息與業(yè)務(wù)流量承載在相同的鏈路上。堆疊建立過程與通常的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議一樣，相鄰設(shè)備基于堆疊端口互發(fā)鏈路探測(cè)報(bào)文;探測(cè)到鏈路后再基于堆疊邏輯口互發(fā)鄰居發(fā)現(xiàn)報(bào)文;鄰居發(fā)現(xiàn)后再堆疊系統(tǒng)內(nèi)部成員設(shè)備發(fā)送堆疊競(jìng)爭(zhēng)報(bào)文，成員設(shè)備收到優(yōu)先級(jí)高的競(jìng)爭(zhēng)報(bào)文則自己停止發(fā)送競(jìng)爭(zhēng)報(bào)文，最后只有系統(tǒng)主發(fā)送堆疊競(jìng)爭(zhēng)報(bào)文;系統(tǒng)主再選一個(gè)成員設(shè)備作為系統(tǒng)備。

框式設(shè)備的堆疊又分為帶內(nèi)堆疊與帶外堆疊。帶內(nèi)堆疊就是管理報(bào)文承載在轉(zhuǎn)發(fā)通道，也就是管理通道與轉(zhuǎn)發(fā)通道合一，反之就是帶外堆疊。盒式設(shè)備都是帶內(nèi)堆疊，框式設(shè)備由主控板、網(wǎng)板及轉(zhuǎn)發(fā)板等單板組成。主控板是整框的管理者，堆疊主要部署在主控板上?？蚴皆O(shè)備的帶內(nèi)堆疊缺點(diǎn)多，如由于依賴業(yè)務(wù)板，堆疊建立特別慢，可靠性差，應(yīng)用相對(duì)較少。只有交換機(jī)距離太大才會(huì)用到。帶外堆疊，根據(jù)前面的概念介紹，自然就是有專門的管理通道。這個(gè)時(shí)候管理通道與轉(zhuǎn)發(fā)通道分別建立堆疊，管理通道確定最終的成員設(shè)備信息，轉(zhuǎn)發(fā)通道要與管理通道保持一致。

為了適應(yīng)數(shù)據(jù)中心的三級(jí)網(wǎng)絡(luò)模型，即接入層、匯聚層與核心層，演化出混堆技術(shù)。其中又分框式混堆設(shè)備與盒式設(shè)備混堆。性能較低的設(shè)備部署在接入層做leaf;性能較強(qiáng)的設(shè)備部署在匯聚層做spine?；於呀⒌倪^程與堆疊類似，但是leaf設(shè)備不需要發(fā)送競(jìng)爭(zhēng)報(bào)文。為了提高系統(tǒng)的可靠性，一臺(tái)設(shè)備故障了也不影響其他設(shè)備還能有堆疊的優(yōu)點(diǎn)，就有了控制面不組建堆疊，僅僅轉(zhuǎn)發(fā)面組建堆疊mlag技術(shù)。

三、堆疊技術(shù)分析

堆疊技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)分析，不改變硬件的前提下實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容，一般盒式設(shè)備堆疊都能支持9機(jī)堆疊。比如36個(gè)40GE端口的設(shè)備，一臺(tái)設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)帶寬1.44T，9機(jī)堆疊接近13T，具體還看網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中橫向流量大小，預(yù)留多少帶寬。框式設(shè)備支持2臺(tái)設(shè)備堆疊，帶寬基本擴(kuò)大一倍。管理方便，整個(gè)堆疊系統(tǒng)共用一份配置，不需要對(duì)每臺(tái)設(shè)備都下一次配置;維護(hù)也方便，比如升級(jí)，一次升級(jí)一個(gè)系統(tǒng)，不用逐臺(tái)升級(jí);混堆的時(shí)候，只需要升級(jí)spine的版本。

堆疊技術(shù)的不足，增加系統(tǒng)延時(shí)，比如9機(jī)堆疊，即便環(huán)形堆疊，系統(tǒng)主將轉(zhuǎn)發(fā)表下發(fā)到最遠(yuǎn)的成員設(shè)備上，要經(jīng)過4跳，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致時(shí)延大、流量切換性能差。所以用得比較多的還是雙機(jī)堆疊或四機(jī)堆疊。

堆疊技術(shù)同時(shí)也會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性，多級(jí)堆到一起時(shí)，帶寬翻倍，可靠性也是成比例降低。堆疊設(shè)備間耦合大，不同的業(yè)務(wù)特效耦合也很大，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，容易出問題。比如電信級(jí)的設(shè)備可靠性要求是5個(gè)9，穩(wěn)定性要求很高，不太會(huì)用9機(jī)堆疊。中間一臺(tái)設(shè)備異常復(fù)位或鏈路故障，成員設(shè)備聯(lián)系不到系統(tǒng)主，就會(huì)導(dǎo)致設(shè)備重啟，高可靠性場(chǎng)景下，核心交換機(jī)堆疊應(yīng)用要慎重。

Mlag技術(shù)只對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)面堆疊，所以不會(huì)一臺(tái)設(shè)備故障而影響另外一臺(tái)。不僅能對(duì)帶寬擴(kuò)容，而且還能提高設(shè)備的可靠性，應(yīng)用得非常廣泛。Mlag只支持兩臺(tái)設(shè)備，所以用于雙活備份場(chǎng)景。

四、結(jié)束語

本文上述分析中嘗試引入堆疊技術(shù)對(duì)核心交換機(jī)進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并對(duì)各類故障狀態(tài)下核心交換機(jī)的冗余性能進(jìn)行研究與分析。與傳統(tǒng)基于路由器的交換機(jī)冗余方案對(duì)比，基于堆疊技術(shù)的核心交換機(jī)冗余性能更為確切，大幅度提升了數(shù)據(jù)吞吐量;堆疊系統(tǒng)共用一個(gè)控制面，通過一臺(tái)設(shè)備管理整個(gè)堆疊系統(tǒng)，配置是在堆疊系統(tǒng)內(nèi)全局有效，大幅降低了設(shè)備的管理與運(yùn)營成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]陶恒韜，陶智勇.基于ISS堆疊系統(tǒng)MAD機(jī)制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2020，39（1）：70-73，113.

[2]吳智理，曾彪，魯旭蔚， 等.基于堆疊技術(shù)的放療網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)改造和升級(jí)[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2016，37（3）：65-67，83.