張偉偉

（安徽財貿職業(yè)學院，安徽 合肥 230601）

基于“集群+堆疊”無環(huán)網(wǎng)絡的設計與研究

張偉偉

（安徽財貿職業(yè)學院，安徽 合肥 230601）

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

STP；集群；堆疊；虛擬交換技術；SDN

1 引言

在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的新業(yè)態(tài)下，互聯(lián)網(wǎng)思維模式演進和催生了新的社會經濟發(fā)展方向。依托先進的通信技術手段以及發(fā)達的網(wǎng)絡互聯(lián)平臺，發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)絡在社會資源配置、優(yōu)化和集成作用，創(chuàng)建、創(chuàng)新互聯(lián)網(wǎng)絡與傳統(tǒng)行業(yè)的深度融合，推進社會經濟勢力穩(wěn)步提升。伴隨無所不在的網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)、計算的知識社會的來臨，對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)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(wǎng)絡用戶眾多，網(wǎng)絡應用與需求迫切，充分發(fā)揮網(wǎng)絡資源優(yōu)勢，既能提升師生網(wǎng)絡用戶的上網(wǎng)體驗，也能增強整個學校的核心競爭力。

2 傳統(tǒng)的STP（Spanning Tree Protocol）網(wǎng)絡[1]

STP(Spanning Tree Protocol)網(wǎng)絡方案是基于樹型結構的網(wǎng)絡拓撲結構[2]，可以有效地避免因網(wǎng)絡中單點故障而引發(fā)的網(wǎng)絡災難，并通過阻塞環(huán)路中的某條鏈路來實現(xiàn)二層數(shù)據(jù)幀的無環(huán)轉發(fā)。相對于現(xiàn)代網(wǎng)絡中很多應用其對中斷時間極為敏感，而且?guī)挊O大，這種傳統(tǒng)的可靠性方案已經不適用于現(xiàn)代網(wǎng)絡。

2.1 網(wǎng)絡拓撲變化時，收斂速度慢

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

2.2 鏈路阻塞時，信道利用率低

在網(wǎng)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(yōu)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(wǎng)絡故障率高

在STP網(wǎng)絡拓撲中，STP協(xié)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(shù)量增加，交換設備因之增加，眾多交換機在處理各自的STP協(xié)議時，也變得越來越復雜，導致整體網(wǎng)絡配置維護量激增，網(wǎng)絡可靠性下降。

此外，基于STP網(wǎng)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(xiàn)行網(wǎng)絡結構加以物理上和邏輯上再規(guī)劃，采用“集群+堆疊”的無環(huán)網(wǎng)絡方案，可有效應對網(wǎng)絡從接入層到匯聚層結構相對復雜的特性，實現(xiàn)有線無線一體化管理，建立扁平化網(wǎng)絡，提升整體網(wǎng)絡的可靠性、使用性和管理性。

3“集群+堆疊”的無環(huán)網(wǎng)絡

傳統(tǒng)的園區(qū)網(wǎng)絡多采用樹狀三層結構，即核心層（網(wǎng)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(wǎng)絡），其中核心/匯聚層多采用橫向集群，接入交換機數(shù)量龐大。在縱向設計的三層網(wǎng)絡架構中，橫向網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳送會因經過許多不必要的傳輸節(jié)點而造成瓶頸，導致明顯的性能衰減。

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

3.1 網(wǎng)絡整體規(guī)劃

在網(wǎng)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(wěn)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(shù)據(jù)。如圖1所示。

圖1 集群+堆疊無環(huán)網(wǎng)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(fā)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(shù)據(jù)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(tǒng)中只要保證任一主控設備運行正常，即可穩(wěn)定運行。

3.1.2 匯聚層部署

匯聚層是將大量用戶接入數(shù)據(jù)匯集單元，是用來轉發(fā)本區(qū)域用戶數(shù)據(jù)到其他區(qū)域用戶的橫向數(shù)據(jù)流，同時肩負著與核心層與接入層的數(shù)據(jù)縱向傳遞。因此，將匯聚層區(qū)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(xiàn)在核心層與匯聚層間的數(shù)據(jù)縱向交換，如此可發(fā)揮高帶寬、高端口密度、高轉發(fā)性能的特點，也能夠有效支撐匯聚層之下的各業(yè)務數(shù)據(jù)交換，既簡化了配置管理，又提高了網(wǎng)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(wǎng)絡，部署二層交換設備，設備間通過專用電纜配置實現(xiàn)堆疊，多臺交換設備邏輯應用為一臺虛擬交換機，實現(xiàn)高速率的轉發(fā)。

3.2 網(wǎng)絡架構優(yōu)勢

傳統(tǒng)網(wǎng)絡三層結構演進為大二層網(wǎng)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(guī)劃。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡結構相比，消除了環(huán)狀傳輸?shù)南忍烊毕荩跀?shù)據(jù)傳輸質量、傳輸效率與管理配置等方面優(yōu)勢明顯。

3.2.1 數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃?/p>

采用交換網(wǎng)硬件通道互聯(lián)，集群系統(tǒng)的控制報文和數(shù)據(jù)報文不需要經由業(yè)務交換單元轉發(fā)，而是直接通過一次轉發(fā)，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(wǎng)絡結構中的所采用的主控備份支持，集群系統(tǒng)中只要保證任意一框的一個主控單元運行正常，多框業(yè)務即可穩(wěn)定運行。相對于傳統(tǒng)業(yè)務口集群系統(tǒng)，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(tǒng)的可靠性。集群系統(tǒng)的控制報文和數(shù)據(jù)報文走獨立的通道，即使所有交換網(wǎng)間鏈路均發(fā)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(tǒng)不會分裂。

堆疊系統(tǒng)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(xiàn)跨設備的鏈路冗余備份。

3.2.2 簡化網(wǎng)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(tǒng)，對堆疊系統(tǒng)所有成員設備進行統(tǒng)一配置和管理。使得邏輯網(wǎng)絡也變得簡潔，不再需要配置和維護負責的STP等協(xié)議。

3.2.3 收斂時間短

采用集群與堆疊的大二層設計，網(wǎng)絡設備虛擬成各邏輯交換機，在網(wǎng)絡物理結構因鏈路、設備等發(fā)生故障或增減時，由于網(wǎng)絡虛擬配置的統(tǒng)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(wǎng)絡鏈路、節(jié)點的故障對業(yè)務的影響。

3.2.4 帶寬利用率高

在VLaN規(guī)劃中，依據(jù)業(yè)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(shù)據(jù)交換頻繁時，可有效地將帶寬利用率提升至100%。

3.2.5 網(wǎng)絡架構擴展性強

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

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

在傳統(tǒng)三層結構的網(wǎng)絡中，由于架構本身以及環(huán)路等因素，網(wǎng)絡虛擬化技術應用相對狹窄，依托于大二層網(wǎng)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?！凹?堆疊”的無環(huán)網(wǎng)絡不改變現(xiàn)有網(wǎng)絡拓撲，避免了傳統(tǒng)網(wǎng)絡的環(huán)路特性，提高了橫向數(shù)據(jù)傳遞效率，同時網(wǎng)絡虛擬化技術的運用，使得網(wǎng)絡邏輯上呈現(xiàn)為大二層結構拓撲。

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

雖然，SDN網(wǎng)絡架構尚處于不斷、探索、進步與完善之中，但隨著網(wǎng)絡設備業(yè)務邏輯不斷開放，將會給大數(shù)據(jù)時代帶來無限的可能。

[1]呂俏，劉啟文，石冰心．STP協(xié)議原理的算法與實現(xiàn)[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(wǎng)絡通信現(xiàn)狀及發(fā)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(xiàn)代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡特征研究[J]．計算機研究與發(fā)展，2014，51(2)：395-407．

[4]李丹，陳貴海，任豐原，等．數(shù)據(jù)中心網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡系統(tǒng)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(wǎng)絡與軟件開發(fā)。

安徽省省級質量工程教學研究項目，項目編號：2015jyxm628。