基于環(huán)型冗余結構的交換機集群的應用及其價值初探

一、概述

隨著廣西電視我臺網(wǎng)絡系統(tǒng)的不斷擴大龐大，針對網(wǎng)絡系統(tǒng)的管理、維護也越來越復雜化。如何經(jīng)濟有效地的提升網(wǎng)絡系統(tǒng)安全性和性能，簡化網(wǎng)絡管理操作是我們一直不斷研究的一個課題。經(jīng)過研究，我們發(fā)現(xiàn)將多臺核心交換機首尾相連形成環(huán)型冗余結構并對其進行相應配置，能夠很好地的提升我們網(wǎng)絡系統(tǒng)的安全性和擴展能力，并有效地的提高了網(wǎng)絡核心層的數(shù)據(jù)交換帶寬。

一、二、系統(tǒng)原理

基于環(huán)型冗余結構的交換機集群的設計理念，是將多臺核心交換機通過物理接口頭尾順序連鏈接，形成環(huán)狀的冗余結構，在進行一定的配置之后，這個交換機集群將虛擬化成為一臺邏輯上的計算機，實現(xiàn)多臺核心交換機的并行運行、統(tǒng)一管理和無縫維護。

基于環(huán)型冗余結構的交換機集群主要具有以下優(yōu)點：

1.1.簡化管理

：基于環(huán)型冗余結構的交換機集群運行之后，管理員通過任意一臺核心交換機的接口都可以登錄交換機集群，對交換機集群內(nèi)所有成員設備進行統(tǒng)一管理。

2.2.高可靠性

：交換機集群的高可靠性體現(xiàn)在多個方面，例如：交換機集群由多臺核心交換機組成，主核心交換機負責整個集群的運行、管理以及維護，從核心交換機既是主交換機的備份又可以并行處理業(yè)務。當主核心交換機故障，操作系統(tǒng)將組織所有的從核心交換機進行新的主核心交換機的選舉，保障業(yè)務不會受到影響。

3.3.較強的系統(tǒng)擴展性能

：通過不斷地的增加核心交換機，即可實現(xiàn)對交換機集群的規(guī)模和性能上的拓展。因為每個核心交換機都擁有獨立的中央處理器，可以獨立地的對報文進行處理和轉(zhuǎn)發(fā)，所以基于環(huán)型冗余結構的交換機集群也可以不斷地的擴展報文處理能力。

二三、工作流程

如下圖1（這種情況，要改為如圖1所示。因為排版的時候，不保證圖剛好在這段文字下面，所以要以標序號方式表達。）所示，集群系統(tǒng)的建立將經(jīng)歷物理鏈接、拓撲收斂、主交換機選舉、集群系統(tǒng)的運維四個階段。核心交換機之間要先進行物理鏈接，然后將進行拓撲收斂和主交換機選舉，完成集群系統(tǒng)的建立，此后進入系統(tǒng)的運維階段。

圖1 工作流程

圖1 工作流程

    1.物理鏈接

    核心交換機之間的鏈接通過物理接口的鏈接而成的。一個設備物理端口可以對應另一個設備的物理端口，也可以通過對應兩個設備之間的多個物理端口來實現(xiàn)鏈路聚合端口，以達到鏈路備份和擴展帶寬的效果。

如圖2所示，環(huán)型拓撲結構比鏈型拓撲結構具有更高的可靠性。當鏈形拓撲結構中出現(xiàn)鏈路故障時，會引起交換機集群分裂；而環(huán)形連接中某條鏈路故障時，會形成鏈形連接，交換機集群的業(yè)務不會受到影響。

圖2 拓撲結構

2.拓撲收集

圖2 鏈型與環(huán)型拓撲結構

2.拓撲收集

每臺核心交換機和鄰居核心交換機通過報文交互來交換機集群系統(tǒng)的拓撲收斂。每臺核心交換機發(fā)出的交互報文都帶有拓撲信息，其中包括物理接口的數(shù)量、屬性和連接關系、核心交換機的編號、核心交換機的優(yōu)先級、核心交換機的橋MAC等內(nèi)容。

    每臺核心交換機在啟動時記錄下本身的拓撲信息，當任意一個物理接口啟用后，核心交換機從這個物理接口周期性的廣播已知的拓撲信息；直接鄰居核心交換機收到拓撲信息后，更新自身的拓撲信息表；核心交換機之間經(jīng)過一段時間的報文交互，所有核心交換機的拓撲信息表都會變成一樣的，這就是拓撲收斂。拓撲收斂完成后進入主交換機選舉階段。

3.主交換機選舉

在所有核心交換機中選出一臺作為主核心交換機的過程稱之為主交換機選舉。主交換機選舉會在網(wǎng)絡拓撲結構發(fā)生變化的情況下發(fā)生，比如交換機集群系統(tǒng)建立、有新的核心交換機接入、主核心交換機下線或者故障、二個或多個集群系統(tǒng)合并等等。主交換機選舉規(guī)則如下：

（1）當前主交換機優(yōu)先（集群系統(tǒng)建立時，沒有主交換機，每個新接入的核心交換機都認為自己是主交換機，此時按照第二條規(guī)則繼續(xù)進行選舉）；

（2）核心交換機優(yōu)先級較大的優(yōu)先；

（3）交換機開機時間較長的優(yōu)先；

（4）橋MAC地址較小的優(yōu)先。

    從第一條規(guī)則開始進行選舉，如果選舉結果不是唯一，則繼續(xù)按照下一條規(guī)則進行選舉，直到選舉出唯一最優(yōu)的核心交換機為止。此唯一最優(yōu)的核心交換機即為主交換機，其它核心交換機則為從交換機。在主交換機選舉完畢后，交換機集群系統(tǒng)建立，進入集群系統(tǒng)的運維階段。

4.集群系統(tǒng)的運維

    主交換機選舉完畢之后，集群系統(tǒng)形成，所有的核心交換機組成一臺虛擬交換機，所有核心交換機上的資源由該虛擬交換機進行管理和維護。

    在集群系統(tǒng)正常運行時，集群系統(tǒng)使用交換機編號來標識和管理核心交換機成員，并在交換機接口編號和操作系統(tǒng)中引入交換機編號的標識數(shù)據(jù)。整個集群系統(tǒng)的管理和維護都依賴于此交換機編號，因此，管理員需要在核心交換機接入集群系統(tǒng)前進行規(guī)劃、配置該交換機的編號，保證該交換機編號在集群系統(tǒng)中的唯一性。

    對于單獨運行的設備，接口編號采用設備編號/子槽位編號/接口序號的格式，其中：

    （1）缺省情況下，設備編號為1。

    （2）如果設備曾經(jīng)加入過交換機集群，則在退出交換機集群后，仍然會使用在交換機集群時的成員編號作為自身的設備編號。

    （3）子槽位編號：接口所在子槽位的編號。

    如果某成員設備A 故障或者物理鏈路故障，其鄰居設備會立即將“成員設備A離開”的信息廣播通知給交換機集群中的其它設備。 

五、結論

繼個人計算機變革、互聯(lián)網(wǎng)變革之后，云計算被看作第三次IT浪潮，是中國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，它將帶來生活、生產(chǎn)方式和商業(yè)模式的根本性改變。

虛擬化技術作為實現(xiàn)云計算的核心技術，成為當下研究的熱點。我們通過研究、搭建與配置，實現(xiàn)了網(wǎng)絡核心交換層次的應用與管理的虛擬化?；诃h(huán)型冗余結構的交換機集群為我們的業(yè)務需求提供了更安全、可靠，性能更強的服務環(huán)境，為未來實現(xiàn)整體虛擬化云計算鋪設了堅實的基礎。我們相信只有不斷地的研究、實踐，不斷地的積累技術儲備，才能在一次又一次的技術革新中不掉隊。

參考文獻

1.1.鄭濤. 以太網(wǎng)鏈路聚合的研究與實現(xiàn)[D].杭州電子科技大學,.碩士論文;2010.04.15

2.2.吳稟雅,趙睿. 多路由鏈路聚合解決方案[J].太原科技,2007(;12)

3.3.祝延波. 計算機網(wǎng)絡冗余設計研究[J].計算機與網(wǎng)絡,2008(;12)

4.4.涂彩芬. 分布式高端核心路由器中鏈路聚合技術研究與實現(xiàn)[D].西安電子科技大學,2009 碩士論文.2011.08.15

5.5.宋文文, 龔文濤. 基于核心冗余的核心層網(wǎng)絡架構設計[J].信息技術,2013(0;01)