基于“集群+堆疊”無環網絡的設計與研究

張偉偉

（安徽財貿職業學院，安徽 合肥 230601）

基于“集群+堆疊”無環網絡的設計與研究

張偉偉

（安徽財貿職業學院，安徽 合肥 230601）

傳統的網絡三層架構，網絡配置復雜、橫向網絡數據交換的環路特性降低了網絡傳輸性能。立足于現行的網絡拓撲平臺，將現有網絡同層結構中的交換單元配置集群與堆疊，運用網絡虛擬化技術將多臺物理設備邏輯上整合成一個數據交換模塊，網絡整體邏輯拓撲中展現成大二層架構模型，既能提高數據傳送效率，避免網絡環路，增強數據傳送安全性，又能簡化網絡配置。

STP；集群；堆疊；虛擬交換技術；SDN

1 引言

在互聯網發展的新業態下，互聯網思維模式演進和催生了新的社會經濟發展方向。依托先進的通信技術手段以及發達的網絡互聯平臺，發揮互聯網絡在社會資源配置、優化和集成作用，創建、創新互聯網絡與傳統行業的深度融合，推進社會經濟勢力穩步提升。伴隨無所不在的網絡、數據、計算的知識社會的來臨，對網絡數據傳輸與處理實時、快捷、安全、管理提出更新更高的要求。高校網絡用戶眾多，網絡應用與需求迫切，充分發揮網絡資源優勢，既能提升師生網絡用戶的上網體驗，也能增強整個學校的核心競爭力。

2 傳統的STP（Spanning Tree Protocol）網絡[1]

STP(Spanning Tree Protocol)網絡方案是基于樹型結構的網絡拓撲結構[2]，可以有效地避免因網絡中單點故障而引發的網絡災難，并通過阻塞環路中的某條鏈路來實現二層數據幀的無環轉發。相對于現代網絡中很多應用其對中斷時間極為敏感，而且帶寬極大，這種傳統的可靠性方案已經不適用于現代網絡。

2.1 網絡拓撲變化時，收斂速度慢

傳統的STP技術收斂速度慢，在故障發生時，故障收斂時間大于10秒；雖然采用RSPT（Rapid Spanning Tree Protocol）進行優化，但收斂時間仍然是秒級，面對速度要求相對較高的網絡，會致使秒級的業務中斷，無法適應現在的很多網絡應用。

2.2 鏈路阻塞時，信道利用率低

在網絡實際運行中，若上行鏈路被阻塞，此鏈路的帶寬將無法利用，總帶寬利用率只有50%；雖然MSTP（Multi-Service Transmission Platform）基于VLaN進行優化，但使用MSTP又會導致配置復雜，日常維護非常困難。

2.3 配置維護復雜，網絡故障率高

在STP網絡拓撲中，STP協議運行于匯聚層和接入層中每臺的交換機之中，隨著接入交換層用戶的數量增加，交換設備因之增加，眾多交換機在處理各自的STP協議時，也變得越來越復雜，導致整體網絡配置維護量激增，網絡可靠性下降。

此外，基于STP網絡拓撲結構方案中還有雙工不匹配、不支持負載均衡等缺陷，將現行網絡結構加以物理上和邏輯上再規劃，采用“集群+堆疊”的無環網絡方案，可有效應對網絡從接入層到匯聚層結構相對復雜的特性，實現有線無線一體化管理，建立扁平化網絡，提升整體網絡的可靠性、使用性和管理性。

3“集群+堆疊”的無環網絡

傳統的園區網絡多采用樹狀三層結構，即核心層（網絡的高速交換主干）、匯聚層（提供基于策略的連接）、接入層（將工作站接入網絡），其中核心/匯聚層多采用橫向集群，接入交換機數量龐大。在縱向設計的三層網絡架構中，橫向網絡的數據傳送會因經過許多不必要的傳輸節點而造成瓶頸，導致明顯的性能衰減。

因此，將現有的“核心-匯聚-接入”的三層網絡拓撲，通過虛擬化技術（SVF、IRF[3]、TRILL[4]、EVI、Fabricpath等），將整個網絡的架構虛擬成一臺邏輯設備，采用扁平化的大二層網絡，簡化網絡結構。同時采用集群、堆疊、網絡縱向虛擬化等技術，既增強了網絡的可靠性，又成功消除了網絡環路，從而減輕了日常網絡維護的工作負荷，簡化了多協議工作模式下的網絡配置，降低了網絡運行處理難度，提升了網絡可靠性。

3.1 網絡整體規劃

在網絡大二層結構[3]中，邏輯上采用扁平化二層設計，物理架構中仍然運用層次功能明晰、架構穩定、易于擴充和維護的層次化模型。核心層和匯聚層中的核心交換機與匯聚交換機分別采用集群交換技術配置成交換機集群，從邏輯上虛擬化為一臺邏輯交換機；接入層中的交換機通過專用電纜連接，配置交換機堆疊，將接入層應用了堆疊技術后的兩臺甚至多臺交換設備組成邏輯上一臺交換設備。接入層和匯聚層交換機之間，采用多條鏈路聚合捆綁來傳輸數據。如圖1所示。

圖1 集群+堆疊無環網絡拓撲圖

3.1.1 核心層部署

核心層配置兩臺高帶寬、高轉發性能的核心交換設備，連接所有匯聚層交換機。層內部采用全連接模式，支撐內外部的數據交換。核心交換設備間采用集群配置，將兩臺核心交換設備整合成一臺交換機。如采用HW CSS2（Cluster Switch System）技術可支持主控的1+N備份功能，集群系統中只要保證任一主控設備運行正常，即可穩定運行。

3.1.2 匯聚層部署

匯聚層是將大量用戶接入數據匯集單元，是用來轉發本區域用戶數據到其他區域用戶的橫向數據流，同時肩負著與核心層與接入層的數據縱向傳遞。因此，將匯聚層區域內的多臺交換機也配置集群（如采用HW CSS技術等），邏輯上虛擬成一臺交換設備。同時，利用多條鏈路捆綁，實現在核心層與匯聚層間的數據縱向交換，如此可發揮高帶寬、高端口密度、高轉發性能的特點，也能夠有效支撐匯聚層之下的各業務數據交換，既簡化了配置管理，又提高了網絡的可靠性與可擴展能力。

3.1.3 接入層部署

接入層是臨近用戶終端的網絡，部署二層交換設備，設備間通過專用電纜配置實現堆疊，多臺交換設備邏輯應用為一臺虛擬交換機，實現高速率的轉發。

3.2 網絡架構優勢

傳統網絡三層結構演進為大二層網絡架構，在物理拓撲結構上無需太大變化，僅需要在交換設備與邏輯結構上重新規劃。與傳統網絡結構相比，消除了環狀傳輸的先天缺陷，在數據傳輸質量、傳輸效率與管理配置等方面優勢明顯。

3.2.1 數據傳輸的高可靠性

采用交換網硬件通道互聯，集群系統的控制報文和數據報文不需要經由業務交換單元轉發，而是直接通過一次轉發，減少了軟件故障可能帶來的干擾，降低了交換板卡故障帶來的風險。

網絡結構中的所采用的主控備份支持，集群系統中只要保證任意一框的一個主控單元運行正常，多框業務即可穩定運行。相對于傳統業務口集群系統，每框至少要有一塊主控單元運行正常的限制，進一步提高了集群系統的可靠性。集群系統的控制報文和數據報文走獨立的通道，即使所有交換網間鏈路均發生故障，控制報文也可通過主控單元之間的控制通道在設備間互通，集群系統不會分裂。

堆疊系統的成員設備之間采用冗余備份機制；運用跨設備的鏈路聚合功能，實現跨設備的鏈路冗余備份。

3.2.2 簡化網絡配置和管理

交換機集群或堆疊形成后，兩臺物理交換機虛擬成為一臺邏輯交換機，用戶可以通過任何一臺成員設備登錄堆疊系統，對堆疊系統所有成員設備進行統一配置和管理。使得邏輯網絡也變得簡潔，不再需要配置和維護負責的STP等協議。

3.2.3 收斂時間短

采用集群與堆疊的大二層設計，網絡設備虛擬成各邏輯交換機，在網絡物理結構因鏈路、設備等發生故障或增減時，由于網絡虛擬配置的統一化，物理設備只虛擬為一塊板卡或一個端口，因而設備鏈路故障收斂時間會大大縮短，同時，也降低了網絡鏈路、節點的故障對業務的影響。

3.2.4 帶寬利用率高

在VLaN規劃中，依據業務類型的不同，將物理LaN在邏輯上劃分成多個廣播通信域，如Voice VLaN、Guest VLaN、Multicast VLaN等，相互通信的VLaN之間采用鏈路Trunk的方式連接。當數據交換頻繁時，可有效地將帶寬利用率提升至100%。

3.2.5 網絡架構擴展性強

隨著網絡應用的有線、無線不斷全面覆蓋，用戶接入節點數量增加，當需進行網絡系統升級與改造時，無需更改網絡的整體復雜配置，而只需要在相應接入點掛接新設備。網絡拓展性好。

4 網絡控制機制向SDN（Software Defined Network）[5]網絡平滑演進

在傳統三層結構的網絡中，由于架構本身以及環路等因素，網絡虛擬化技術應用相對狹窄，依托于大二層網絡，可以有效地支撐虛擬化條件下的大范圍二層擴散性計算。“集群+堆疊”的無環網絡不改變現有網絡拓撲，避免了傳統網絡的環路特性，提高了橫向數據傳遞效率，同時網絡虛擬化技術的運用，使得網絡邏輯上呈現為大二層結構拓撲。

軟件定義網絡SDN是Emulex網絡一種新型網絡創新架構，運用網絡虛擬化技術將網絡設備控制與數據轉發分離，實現網絡的靈活控制與智能[6]。在SDN網絡架構中，將網絡中各物理交換實體抽象成編程對象，使整個網絡進行虛擬化，實現網絡的物理拓撲與邏輯拓撲的分離。SDN網絡一般采用大二層結構的網絡結構，因此，在本案例的網絡結構設計中，采用具備雙平面功能的交換作為數據轉發設備，即既具備傳統網絡控制功能，也具有支持SDN協議的可編程策略控制層面，兩層控制功能獨立部署，實現業務策略與拓撲解耦無關、實現全網批量部署與SDN網絡的平滑過渡。

雖然，SDN網絡架構尚處于不斷、探索、進步與完善之中，但隨著網絡設備業務邏輯不斷開放，將會給大數據時代帶來無限的可能。

[1]呂俏，劉啟文，石冰心．STP協議原理的算法與實現[J]．華中理工大學學報，2000，28(1)：65-67．

[2]楊家興．新時期計算機網絡通信現狀及發展趨勢研究[J]．信息安全與技術，2013，(3)：6-7．

[3]鄧罡，龔正虎，王宏．現代數據中心網絡特征研究[J]．計算機研究與發展，2014，51(2)：395-407．

[4]李丹，陳貴海，任豐原，等．數據中心網絡的研究進展與趨勢[J]．計算機學報，2014，37(2)：259-272．

[5]張朝昆，崔勇，唐翯祎，等．軟件定義網絡(SDN)研究進展木[J]．軟件學報．015，26(1)：62-81．

[6]李賀武，趙洲洋，孫文琦，等．SDN+：基于SDN的未來無線網絡系統架構和擴展[J]．郵電設計技術，2015，(10)：44-50．

Design and Research onacyclic Network Based on"Cluster+Stack"

Zhang Weiwei
(anhui Finance&Trade Vocational College,Hefei 230601,anhui)

In the traditional three-tier network,the characteristics of complex network configuration and horizontal network data exchange reduce the network transmission performance.Based on the topology platform of the current network,the switching units in the existing network layer are to be configured with stack and cluster;multiple physical devices are to be integrated into a data exchange module logically using virtualization technology;and the network logical topology is to be configured into two-layer architectural model.The design improves the data transfer efficiency,avoids network loops,enhances the security of data transmission,and also simplifies the network configuration.

STP;cluster;stack;virtual switching technology;SDN

TP393

a

1008-6609(2016)03-0035-03

張偉偉，男，安徽六安人，碩士，講師，研究方向：計算機網絡與軟件開發。

安徽省省級質量工程教學研究項目，項目編號：2015jyxm628。