陶志勇, 張 錦, 陽王東, 何先亮

1(長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軟件學(xué)院, 長沙 410004)

2(湖南大學(xué) 軟件學(xué)院, 長沙 410082)

3(湖南師范大學(xué), 長沙 410012)

隨著現(xiàn)代企業(yè)的不斷發(fā)展與壯大, 企業(yè)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模也不斷的增大, 進(jìn)而使企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性日益凸顯, 同時對企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的可靠性、穩(wěn)定性、擴(kuò)展性以及可管理與維護(hù)性提出了新的要求. 如何增強(qiáng)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性與可靠性及使企業(yè)網(wǎng)絡(luò)便于管理與維護(hù), 是當(dāng)下企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)中亟待解決的問題[1,2].

在傳統(tǒng)方式構(gòu)建的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中, 為了加強(qiáng)企業(yè)二層與三層網(wǎng)絡(luò)的可靠性與穩(wěn)定性, 采用生成樹協(xié)議(Spanning Tree Protocol, STP)[3]與虛擬路由器冗余協(xié)議 (Virtual Router Redundancy Protocol, VRRP)[4]技術(shù)來實現(xiàn). STP主要用于在企業(yè)二層網(wǎng)絡(luò)中消除環(huán)路, 并提供冗余鏈路的二層網(wǎng)絡(luò)技術(shù); 而VRRP在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中是為用戶提供網(wǎng)關(guān)冗余的技術(shù). STP與VRRP技術(shù)都有一個共性, 部署復(fù)雜、難于實現(xiàn), 隨著用戶對企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的要求越來越高, 其可靠性與穩(wěn)定性已滿足不了企業(yè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需要[5,6].

智能彈性架構(gòu)技術(shù) (Intelligent Resilient Framework,IRF)[7,8]是一種采用云計算的虛擬化技術(shù), 其核心思想是將其多臺物理設(shè)備互連后, 通過其配置后, 虛擬成一臺邏輯設(shè)備, 進(jìn)而融合多臺設(shè)備的硬件與軟件資源的處理能力, 使多臺物理設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的管理與調(diào)度. 本文針對采用STP與VRRP技術(shù)部署的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)存在可靠性與穩(wěn)定性差, 管理及維護(hù)困難等問題, 提出在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中采用云計算的IRF技術(shù)解決方案, 并通過仿真實驗進(jìn)行實踐證明其方案在可靠性與穩(wěn)定性、管理與維護(hù)性方面要優(yōu)于傳統(tǒng)方式構(gòu)建的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)[9,10].

1 設(shè)計思想與操作步驟

以往在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中組網(wǎng)時, 為了增強(qiáng)接入層與匯聚層網(wǎng)絡(luò)的可靠性與穩(wěn)定性, 在接入層與匯聚層設(shè)備間采用STP來阻塞冗余鏈路, 一旦主鏈路出問題啟用冗余鏈路來恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)的連通性. 同時, 為使用戶能不間斷訪問外部網(wǎng)絡(luò), 在匯聚層設(shè)備上采用VRRP技術(shù)為用戶提供網(wǎng)關(guān)的冗余. 采用上述技術(shù)在接入層與匯聚層設(shè)備部署復(fù)雜, 難于管理, 主、備設(shè)備間的切換以秒為單位, 無法滿足可靠性業(yè)務(wù)的要求. 為了解決上述問題, 一種改進(jìn)設(shè)計思路是, 在接入層與匯聚層設(shè)備上采用云計算的虛擬化IRF技術(shù), 將接入層的多臺物理設(shè)備虛擬成一臺邏輯設(shè)備并與匯聚層虛擬的邏輯設(shè)備相連, 進(jìn)而為用戶提供設(shè)備級的冗余. 同時, 為加強(qiáng)接入層與匯聚層鏈路的可靠性, 采用鏈路聚合技術(shù), 實現(xiàn)鏈路冗余的同時, 實現(xiàn)交互數(shù)據(jù)時的負(fù)載分擔(dān), 如圖1所示.

圖1 傳統(tǒng)方式與IRF虛擬化方式組網(wǎng)對比

通過圖1的對比可以看出, 采用IRF技術(shù)后, 將原來接入層的八臺物理設(shè)備虛擬成了兩臺邏輯設(shè)備, 匯聚層的四臺物理設(shè)備虛擬成了兩臺邏輯設(shè)備. 接入層與匯聚層的物理設(shè)備虛擬成功后, 可以通過直接管理虛擬的邏輯設(shè)備來管理實際的物理設(shè)備, 虛擬化后在主設(shè)備中的配置信息可以同步到備用設(shè)備, 大大的減少了對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置, 同時也方便了網(wǎng)絡(luò)的管理. 采用IRF技術(shù)將物理設(shè)備虛擬成功后, 不同于STP與VRRP技術(shù)構(gòu)建的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò), 采用STP與VRRP的方式只是在二、三層網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)鏈路的冗余, 而IRF技術(shù)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)將多臺物理設(shè)備虛擬成一臺邏輯設(shè)備, 實現(xiàn)了設(shè)備級的冗余. 采用IRF技術(shù)后, 使得主、備設(shè)備之間的切換時間是毫秒級的, 用戶根本感知不到設(shè)備之間的切換, 而采用STP與VRRP技術(shù)主備之間的切換是以秒級為單位的, IRF技術(shù)的采用使得網(wǎng)絡(luò)具有更好的穩(wěn)定性與可靠性. 此外, 采用此方式節(jié)約了接入層與匯聚層互連的鏈路成本. 該技術(shù)具體的實現(xiàn)思路如下:

(1) 將接入層多臺物理設(shè)備或匯聚層的多臺物理設(shè)備互連后, 規(guī)劃好各接入層與匯聚層物理設(shè)備的成員編號, 進(jìn)而標(biāo)識在虛擬化后設(shè)備的身份; (2) 配置設(shè)備在虛擬化時的優(yōu)先級, 通過優(yōu)先級的操控使不同的物理設(shè)備在虛擬化后扮演不同的角色; (3) 將物理設(shè)備的物理端口與邏輯端口綁定, 并在物理設(shè)備中激活虛擬化的配置, 讓其物理設(shè)備通過競選后, 形成虛擬的網(wǎng)絡(luò)資源池; (4) 為避免虛擬的網(wǎng)絡(luò)資源池分裂后產(chǎn)生沖突, 啟用虛擬資源池分裂檢測機(jī)制.

虛擬的網(wǎng)絡(luò)資源池形成后, 在接入層與匯聚層都只有一臺虛擬的邏輯設(shè)備, 無需部署復(fù)雜的STP與VRRP技術(shù), 并實現(xiàn)了設(shè)備級的冗余備份, 在簡化部署與管理維護(hù)的同時, 使可靠性從鏈路級的冗余備份提升到了設(shè)備級的冗余備份, 并且以后需要拓展網(wǎng)絡(luò)時,只需要將設(shè)備加入到虛擬資源池中即可正常使用, 具有完美的強(qiáng)性擴(kuò)展, 有效的加強(qiáng)了企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性、穩(wěn)定性與可靠性.

2 方案評估

2.1 評估方案分析

為驗證其設(shè)計思想的可行性與實踐性, 在某企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的改造方案中將其設(shè)計思想實踐應(yīng)用于方案中,驗證其方案的可行性. 該企業(yè)為了加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性與穩(wěn)定性, 在接入層設(shè)備采用雙上行的方式與匯聚層設(shè)備相連, 為消除接入層與匯聚層設(shè)備中的環(huán)路, 在接入層與匯聚層設(shè)備上運(yùn)行STP來阻塞冗余鏈路, 并通過冗余鏈路給主鏈路提供備份. 為了給用戶提供訪問本網(wǎng)絡(luò)以外的通信, 采用VRRP提供網(wǎng)關(guān)的冗余備份,企業(yè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示.

圖2 傳統(tǒng)方式組網(wǎng)拓?fù)?/p>

該企業(yè)網(wǎng)絡(luò)部署完成交互運(yùn)行一段時間后, 存在有以下幾個問題. (1) 當(dāng) STP 的主鏈路出現(xiàn)故障時, 切換到備用鏈路所花費(fèi)的時間過長, 影響數(shù)據(jù)的正常傳輸. (2) 主鏈路正常工作時, 備用鏈路閑置, 導(dǎo)致資源浪費(fèi). (3) VRRP 主、備網(wǎng)關(guān)的切換以秒為單位, 使用戶訪問外部網(wǎng)絡(luò)時會暫時失去連通性.

隨著企業(yè)業(yè)務(wù)規(guī)模的擴(kuò)大, 一些關(guān)鍵業(yè)務(wù)對可用性、可靠性的要求越來越高, 現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)滿足不了企業(yè)業(yè)務(wù)的需求, 企業(yè)希望對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造與升級, 保證其關(guān)鍵業(yè)務(wù)的可用性與可靠性. 針對該企業(yè)的業(yè)務(wù)需求, 一種改進(jìn)思想是在接入層與匯聚層分別采用基于云計算的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬化技術(shù), 將多臺設(shè)備虛擬成一臺, 提供冗余的同時, 加強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的可靠性.同時, 為了增強(qiáng)接入層與匯聚層設(shè)備互連時的可用性與可靠性, 在接入層和匯聚層設(shè)備上采用動態(tài)鏈路聚合方式將多條物理鏈路捆綁成一條邏輯鏈路, 增加通信鏈路帶寬的同時, 提高了網(wǎng)絡(luò)的可用性與可靠性. 考慮到一旦虛擬池中的設(shè)備分裂, 各物理設(shè)備有相同的信息會引起沖突的問題, 在物理設(shè)備虛擬成功后, 配置相應(yīng)的檢測機(jī)制, 虛擬池中的物理設(shè)備只要產(chǎn)生分裂,將備用設(shè)備使其只能傳送協(xié)議報文, 不能發(fā)送數(shù)據(jù)報文, 進(jìn)而保障網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行. 具體的實現(xiàn)拓?fù)淙鐖D3所示.

圖3 仿真實驗拓?fù)?/p>

根據(jù)上述拓?fù)? 將仿真實驗的設(shè)備名稱及端口的規(guī)劃如表1所示.

表1 各設(shè)備端口分配及互連表

仿真實驗的拓?fù)渑c端口互連規(guī)劃完成后, 具體的實現(xiàn)過程分為設(shè)備虛擬化、動態(tài)鏈路聚合、虛擬化設(shè)備分裂檢測三個步驟來完成.

(1) 設(shè)備虛擬化

設(shè)備虛擬化是否成功, 是該方案成功的關(guān)鍵, 在本方案設(shè)計中, 需要將匯聚層與接入層設(shè)備進(jìn)行虛擬化,即將SW1與SW2, SW3與SW4通過IRF技術(shù)將兩臺物理設(shè)備虛擬成一臺邏輯設(shè)備. 在本方案中以匯聚層設(shè)備為例, 將設(shè)備進(jìn)行虛擬化, 而接入層虛擬化的方式與匯聚層一模一樣, 在此不再贅述.

匯聚層的設(shè)備在虛擬化前需要做虛擬化前的準(zhǔn)備工作, 由于兩臺設(shè)備初始化時的成員編號相同, 在此通過 irf member 1 renumber 2 命令將 SW2 的成員編號修改為2, 并將SW1、SW2兩臺設(shè)備相連的XGE1/0/50端口人為的設(shè)置為關(guān)閉狀態(tài), 以免影響后續(xù)虛擬結(jié)果的狀態(tài). 上述工作完成后, 通過表2中的配置完成虛擬化的配置.

在SW2上完成與SW1相同的配置后, 兩臺物理設(shè)備通過上述配置會虛擬成一臺邏輯設(shè)備, 邏輯設(shè)備的虛擬成功為企業(yè)網(wǎng)絡(luò)提供了設(shè)備級的冗余, 打破了生成樹協(xié)議只能提供鏈路級冗余的瓶頸, 這種設(shè)備級的冗余與生成樹協(xié)議最大的區(qū)別在于主、備間設(shè)備的切換是毫秒級的, 為用戶重要業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的交互提供了可用性與可靠性, 并為本方案最終是否能成功實現(xiàn)打下了夯實的基礎(chǔ).

(2) 動態(tài)鏈路聚合

匯聚層與接入層邏輯設(shè)備的虛擬成功只是為本層數(shù)據(jù)交互提供了可用性與可靠性, 并沒有為匯聚層與接入層數(shù)據(jù)交互提供可用性與可靠性. 為解決該問題,通過在步驟一中已成功虛擬的邏輯設(shè)備上配置動態(tài)鏈路聚合, 進(jìn)而實現(xiàn)在匯聚層與接入層實現(xiàn)多鏈路的捆綁, 具體的配置如表3所示.

表2 SW1 虛擬化的配置

表3 聚合的配置

SW3的配置與SW1的配置相同, 在此不再描述,通過在兩臺虛擬化的邏輯設(shè)備上配置鏈路聚合后, 進(jìn)而將匯聚層與接入層之間的多條物理鏈路捆綁成一條邏輯鏈路, 增加了通信鏈路帶寬資源的同時, 提高了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)交互的可靠性, 為企業(yè)重要業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在匯聚層與接入層間交互提供了保障.

(3) 虛擬化設(shè)備分裂檢測

匯聚層與接入層的虛擬邏輯設(shè)備產(chǎn)生后, 如果兩臺物理設(shè)備相連的物理鏈路出現(xiàn)故障, 網(wǎng)絡(luò)中會產(chǎn)生兩臺一模一樣的配置設(shè)備, 引起地址沖突等問題, 直接影響到網(wǎng)絡(luò)的正常使用. 為了避免產(chǎn)生該問題, 利用動態(tài)鏈路聚合中發(fā)送聚合控制報文的同時, 攜帶一個邏輯設(shè)備分裂的檢測報文. 如果兩臺相連的物理設(shè)備鏈路出現(xiàn)故障, 系統(tǒng)會將邏輯設(shè)備中的備用設(shè)備設(shè)置為Recovery狀態(tài), 同時會讓備用設(shè)備的所有業(yè)務(wù)端口只能處理控制報文, 不能處理數(shù)據(jù)報文, 避免產(chǎn)生地址沖突等問題. 同時, 當(dāng)鏈路恢復(fù)正常時, 會將其 Recovery狀態(tài)的備用設(shè)備重啟重新加入到虛擬的邏輯設(shè)備中來,并恢復(fù)其端口數(shù)據(jù)報文的正常交互. 該功能的具體實現(xiàn)需要在主設(shè)備的鏈路聚合端口開啟mad enable配置, 就能實現(xiàn)鏈路故障時的分裂檢測, 通過上述功能的實現(xiàn)有效的保障了企業(yè)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的正常使用.

2.2 方案測試與性能對比

方案通過設(shè)備虛擬化、動態(tài)鏈路聚合、虛擬化設(shè)備分裂檢測三個步驟的完成即已實現(xiàn)了該方案的設(shè)計思路, 設(shè)計及實現(xiàn)是否正確以及該方案存在哪些優(yōu)勢,是評價該方案可行性、先進(jìn)性的關(guān)鍵所在, 下面將對其方案進(jìn)行性能測試與分析對比.

(1) 性能測試

本方案及實現(xiàn)成功的關(guān)鍵主要取決于虛擬邏輯設(shè)備的構(gòu)建是否正確, 為了驗證其是否正確, 通過在SW1與SW2以及SW3與SW4中運(yùn)行display irf指令來進(jìn)行檢測, 得到的結(jié)果如圖4所示.

上述指令的測試結(jié)果表明匯聚層與接入層的虛擬邏輯設(shè)備已構(gòu)建, 并且SW1作為匯聚層虛擬邏輯設(shè)備的主設(shè)備, SW2 反之, SW3 與 SW4 情況與 SW1、SW2相同. 虛擬邏輯設(shè)備的正常構(gòu)建, 意味著已在本層提供了設(shè)備級冗余, 滿足本層業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)交互可用性與高可靠的要求.

上述測試結(jié)果只是證明虛擬邏輯設(shè)備的構(gòu)建為本層設(shè)備的數(shù)據(jù)交互提供了可用性與可靠性, 而對于匯聚層與接入層間數(shù)據(jù)通信時是否提供了可用性與可靠性通過在 SW1 上輸入 display link-aggregation verbose指令進(jìn)行測試, 得到結(jié)果如圖5所示.

圖4 虛擬化結(jié)果

圖5 聚合結(jié)果狀態(tài)

上述結(jié)果表明在匯聚層與接入層的虛擬邏輯設(shè)備上配置的動態(tài)鏈路聚合正常, 在匯聚層與接入層間構(gòu)建了一條邏輯通道, 為匯聚層與接入層間數(shù)據(jù)通信提供了多條物理鏈路, 保障了數(shù)據(jù)交互時的可用性與可靠性.

虛擬邏輯設(shè)備的形成為本層設(shè)備間數(shù)據(jù)的交互提供了可用性與可靠性, 但是一旦兩臺本層的物理設(shè)備鏈路故障, 會導(dǎo)致兩臺設(shè)備的配置一模一樣, 引起整個網(wǎng)絡(luò)的混亂, 因此在本方案中采用了檢測機(jī)制, 來保障網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)轉(zhuǎn), 下面是檢測機(jī)制是否生效的測試,圖6是在 SW1 是輸入 display mad verbose 的測試結(jié)果.

上述測試結(jié)果表明虛擬邏輯設(shè)備的分裂檢測機(jī)制已正常啟動, 只要兩臺物理設(shè)備相互連接的鏈路出現(xiàn)故障, 檢測機(jī)制就能偵聽到, 并迅速將虛擬邏輯設(shè)備的從設(shè)備設(shè)置為Recovery狀態(tài), 使其不能處理數(shù)據(jù)報文,只能處理控制報文, 不影響其企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)轉(zhuǎn).

(2) 性能對比

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬化、動態(tài)鏈路聚合、虛擬化設(shè)備的檢測機(jī)制其測試結(jié)果的正確性已充分表明其方案的可行性、可操作性. 采用該方案構(gòu)建的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)相比傳統(tǒng)方式構(gòu)建的企業(yè)網(wǎng)絡(luò), 在以下方面存在有明顯優(yōu)勢,如表4所示.

圖6 MAD 結(jié)果狀態(tài)

表4 虛擬方式與傳統(tǒng)方式的對比

上述對比分析結(jié)果表明采用虛擬化技術(shù)構(gòu)建的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)相比傳統(tǒng)方式構(gòu)建的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)在其網(wǎng)絡(luò)部署、可管理性、擴(kuò)展性、可行性與可靠性等方面要優(yōu)于傳統(tǒng)方式. 因此, 該方式在構(gòu)建企業(yè)網(wǎng)絡(luò)時更受青瞇.

3 結(jié)束語

傳統(tǒng)方式構(gòu)建的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)由于部署難、擴(kuò)展困難、可用性與可靠性差已滿足不了企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的需要.針對該問題, 本文提出了在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中采用虛擬化技術(shù)的方式來構(gòu)建企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò). 為了評估該方案的可行性, 以虛擬仿真的驗證了該設(shè)計思想, 并從可用性、可靠性、可擴(kuò)展性等對角與傳統(tǒng)方式構(gòu)建的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了對比分析, 分析結(jié)果表明, 采用該方式構(gòu)建的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)更具有優(yōu)勢, 為企業(yè)構(gòu)建一個穩(wěn)定、可靠、安全的網(wǎng)絡(luò)提供了解決方案.