基于鏈路聚合控制協議的堆疊網絡設計與應用

寧 娟，邱逸昌，邵靜怡，劉高同，王 宇

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

基于鏈路聚合控制協議的堆疊網絡設計與應用

寧 娟，邱逸昌，邵靜怡，劉高同，王 宇

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

文章介紹了國內最大臥式空間環境模擬器KM7A的系統網絡架構，在該網絡中應用了堆疊網絡以及鏈路聚合控制協議（LACP），通過鏈路聚合控制協議對所有關鍵設備進行鏈路綁定，實現了關鍵設備和數據鏈路的冗余，大大縮短了主/備試驗網絡數據鏈路的切換時間，避免了單鏈路失效，提升了數據傳輸鏈路的穩定性和故障容錯性。

堆疊網絡；鏈路聚合控制協議；空間環境模擬器

0 引言

KM7A空間環境模擬器是國內最大的臥式空間環境模擬器，在其系統網絡設計中采用了鏈路聚合控制協議，通過堆疊網絡的連接方式搭建了一套高穩定性的網絡架構[1]，對關鍵節點設備和關鍵鏈路進行冗余備份[2]。該網絡架構相對于目前大多空間環境模擬器采用的單線路以太網或者環形以太網的網絡架構，具有更高的鏈路冗余能力[3]，在單鏈路失效時不會影響數據通信，并且增強了設備帶寬，提高了數據傳輸鏈路的穩定性以及故障容錯性。

1 堆疊網絡

堆疊技術較多應用于以太網交換機的擴展端口，是一種非標準化的技術。堆疊模式為各廠商制定，各個廠商之間不支持混合堆疊和拓撲結構。堆疊技術的最大優點就是提供簡化的本地管理，即設置1個主設備或邏輯主設備（即交換機優先級），使用專門的連接線，通過專用端口將連接后的多個交換機視為一個邏輯整體來使用和管理[4]。交換機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，將多臺交換機以環路方式串接成1個交換機堆疊組，如圖1所示。星形堆疊模式要求主交換機有足夠的背板帶寬，并且有多個堆疊模塊，通過高速堆疊電纜將交換機的內部總線連接成為1條高速鏈路[4]，如圖2所示。另外，堆疊網絡相對于級聯網絡的優點是不會產生性能瓶頸，能提供高密度的集中網絡端口，堆疊后的設備在網絡管理過程中就變成了1個網絡設備，只需要賦予1個IP地址，方便設備管理。

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 鏈路聚合控制協議（LACP）

鏈路聚合控制協議（link aggregation control protocol, LACP）亦稱主干（trunking）或捆綁（bonding）技術，是在以太網基礎上發展出的一種擴展網絡帶寬、增強網絡穩定性的技術[5]。

鏈路聚合就是將 2個或者更多的數據信道聚合成1個帶寬成倍增加的單個信道。鏈路聚合一般用來連接1個或多個帶寬需求大的設備，例如連接骨干網絡的服務器或者服務器群。聚合在一起的物理鏈路的條數還可以根據業務的帶寬需求來配置。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、配置靈活的優點[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態備份，具有較高的可靠性和容錯能力，只要其中的1條物理鏈路正常，聚合鏈路就能工作，還可以實現負載均衡[8]。

3 KM7A空間環境模擬器的網絡架構設計

KM7A空間環境模擬器的網絡采用菊花鏈堆疊模式，可分為核心層和接入層2層結構[9]。其中，核心層為 2臺相同的三層交換機 WS-C3750X-48T-E，由于系統網絡不需要進行分布式布置，故對于這種高密度端口需求的單節點架構選擇以菊花鏈方式進行堆疊連接；接入層由若干 WSC2960S-24TS-S和 WS-C2960S-24TS-L交換機組成，其中4臺WS-C2960S-24TS-L堆疊交換機兩兩堆疊，每組各2臺以菊花鏈的方式進行堆疊連接，出2根網線連接到三層交換機。堆疊交換機成本較高，因此只選取關鍵設備接入堆疊交換機中，其余設備接入另外10余臺不帶堆疊模塊的交換機中進行本機鏈路聚合，也出 2根網線連接到三層交換機，并通過聚合鏈路與核心交換機相連。KM7A空間環境模擬器星形網絡架構以 WS-C3750X-48T-E三層交換機作為核心交換機，WS-C2960S-24TS-S和WS-C2960S-24TS-L交換機作為接入交換機，如圖3所示。

圖3 空間環境模擬器星形網絡架構Fig.3 The framework of star network for space environmental simulator

KM7A的試驗測控系統包括14臺電源機柜和2臺數據采集機柜。其中，每臺電源機柜有 2個WS-C2960S-24TS-S交換機，共計28個交換機；2臺數據采集機柜共3個WS-C2960S-24TS-S交換機。試驗測控系統交換機分布拓撲如圖4所示。對機柜里的每個交換機進行鏈路聚合設置，采用本機聚合[10]方式出2根網線（圖4中紅線接入1#3750交換機，黑線接入2#3750交換機）連接至三層交換機 WS-C3750X-48T-E，在單根網線發生意外掉線的情況時不會對試驗造成影響，增強了系統的安全性。

圖4 試驗測控系統交換機分布拓撲Fig.4 The switch’s distribution topology for the test control system

KM7A的設備測控系統包括12臺電腦、3臺打印機、7臺服務器以及硬盤錄相機、四級質譜儀等相關設備，通過4臺帶堆疊模塊的WS- C2960S-24TS-L二級交換機和 5臺不帶堆疊模塊的 WSC2960S-24TS-S二級交換機進行級聯，連接到WSC3750X-48T-E三層交換機上。設備測控系統交換機分布拓撲如圖5所示。其中，每臺堆疊交換機只需要1根網線接入其中1臺三層交換機，不帶堆疊模塊的二級交換機通過本機聚合的方式出 2根網線（圖5中紅線接入 1#3750交換機，黑線接入2#3750交換機）連接至三層交換機。

圖5 設備測控系統交換機分布拓撲Fig.5 The switch’s distribution topology for the equipment control system

4 鏈路聚合冗余網絡測試與應用

為了對KM7A空間環境模擬器網絡的關鍵技術可行性進行驗證，在整個系統搭建前先進行模擬網絡測試，檢驗整個系統的冗余性。通過對實物搭建系統的模擬使用，預知項目實施時可能出現的難點，補足規劃時遺漏的部分[11]。本次主要測試KM7A綜合網絡環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堆疊網絡的安全性及可靠性。

4.1 堆疊模式下聚合鏈路冗余性測試

采用2臺WS-C3750X-48T-E、2臺WS-C2960S-24TS-L、堆疊模塊、1臺雙網口計算機及網線若干進行堆疊模式下的聚合鏈路冗余性測試。2臺WS-C3750X-48T-E利用自帶堆疊線纜和帶有堆疊模塊的2臺WS-C2960S-24TS-L分別完成菊花鏈式堆疊。從管理邏輯上形成2組設備，分別命名為3750組及2960組，組內組員分別命名為3750A、3750B、2960A、2960B。在每臺物理設備中選取1個物理端口，將3750A的1個端口與3750B的1個端口進行聚合，啟用鏈路聚合控制協議（LACP）。2960A的端口與 2960B的端口進行聚合，并通過網線將3750組與2960組啟用LACP的端口進行連接。堆疊模式下聚合鏈路冗余測試系統架構如圖6所示。WS-C3750X-48T-E為三層交換機，對啟用 LACP協議的端口組配置IP地址，作為接入PC網關，接入PC通過雙鏈路連接至另一個2960端口組，正常狀態下接入交換機常Ping網關，無丟包現象，則完成基本測試環境網絡搭建。

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

交換機設置完成后，通過博通網卡軟件對計算機雙網口進行設置，合并為Team網絡連接，網卡線路速度增倍，由原來單網卡的 1 Gbit/s變為2 Gbit/s。

網絡搭建完成后，進行故障測試，拔除3750組與2960組之間的任意1根連線，通過Ping指令，如果數據包丟失數量≤1，則表示測試成功；將測試電腦接入2960組另一物理交換機，重復模擬。

測試結果表明：當斷開1條鏈路后，丟失1個數據包，并且線路速度從2 Gbit/s降至1 Gbit/s；當網線線路恢復時，對鏈路沒有任何影響，線路速度恢復為2 Gbit/s。帶堆疊模塊的交換機WS-C2960S-24TS-L通過聚合鏈路連接到三層交換機上，避免了單臺交換機出現故障或者單根網線意外掉線對試驗造成影響。

4.2 非堆疊模式下聚合鏈路冗余性測試

根據圖7進行物理環境搭建，非堆疊2960交換機通過本機2端口聚合鏈路模式分別與2臺3750交換機的聚合端口組相連。

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

網絡搭建完成后進行故障測試：拔除3750組與非堆疊2960交換機之間的任意1根連線，通過Ping指令，當斷開1條鏈路后，丟失1個數據包，并且線路速度從2 Gbit/s降至1 Gbit/s；當網線線路恢復時，對鏈路沒有任何影響，線路速度恢復為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線意外掉線對試驗造成影響的狀況出現。

4.3 KM7A跨網段互通測試

根據圖7搭建的測試環境，接入電腦模擬最終用戶，將2臺WS-C2960S-24TS-S交換機劃分至不同VLAN，分別為VLAN10、VLAN20。VLAN10的 IP地址設為 10.70.69.254，VLAN20的設為192.168.0.254，網關均設置為255.255.255.0。電腦常Ping核心交換機網關進行測試，結果表明可以實現跨網段互通。

5 結束語

KM7A空間環境模擬器已經完成了多個型號衛星的熱真空試驗，基于LACP的堆疊網絡通過了現場應用的實際考驗，實現了關鍵設備和數據鏈路的冗余，大大縮短了主/備試驗網絡數據鏈路的切換時間，增強了系統網絡的穩定性，達到了預期的設計目標。本文提出的基于LACP協議的堆疊網絡設計方法可為以后的空間環境模擬器網絡建設提供新方法，在空間環境模擬器網絡管理和維護中具實際應用意義。

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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，碩士學位，主要從事空間環境模擬器測控系統軟件設計工作。E-mail: ningjuan_buaa_ee@126.com。

2016-04-27；

：2016-12-14