朱新義

摘要：在互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡技術數(shù)據(jù)中心技術及網(wǎng)絡虛擬化技術持續(xù)發(fā)展與更新的背景下，網(wǎng)絡的工作模式發(fā)生了非常深刻的改變。多媒體技術的應用對提升工作效率，改進用戶體驗，完善系統(tǒng)性能均具有非常重要的意義。本文嘗試研究一種基于堆疊技術的核心交換機設計方案，對交換機堆疊的基本概念進行分析，并就交換機堆疊的性能、可靠性、可維護性及發(fā)展趨勢展開研究，僅供各方參考。

關鍵詞：核心交換機;冗余設計;堆疊技術;轉(zhuǎn)方面堆疊;控制面堆疊

一、交換機堆疊

交換機堆疊是指將兩臺或多臺交換機的虛擬成一臺交換機，與集中式控制一樣，對外呈現(xiàn)出一個控制面，一方面能夠在空間有限的前提下提供盡可能充分的端口支持，增加系統(tǒng)交換帶寬，另一方面通過一個控制平臺下發(fā)全局成員的配置，便于網(wǎng)絡的管理維護。在交換機堆疊相關性能指標中，最大可堆疊數(shù)是指一個獨立堆疊單元中可支持的組合交換機數(shù)量最大值，它代表一個堆疊系統(tǒng)所能提供的最大端口密度。目前技術條件支持下，按交換機組網(wǎng)的拓撲來分，第一是鏈式堆疊，多臺交換機組成一個鏈，為了提供網(wǎng)絡的可靠性，也可以組成環(huán)形堆疊;第二則是星型堆疊，目前多見于端口密度較高且效率要求較高的局域網(wǎng)網(wǎng)絡中。按交換機的業(yè)務層面來分，又分為控制面堆疊，即有系統(tǒng)主管理所有成員設備的加入、退出等;與控制面對應的是轉(zhuǎn)方面堆疊，由主設備管理各成員設備的轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務，如主設備進行轉(zhuǎn)發(fā)拓撲計算并下轉(zhuǎn)發(fā)表。通常說的堆疊是指轉(zhuǎn)方面與業(yè)務面都組成堆疊，堆疊管理鏈路與堆疊轉(zhuǎn)發(fā)鏈路可以合一，也可以分開。如果僅僅轉(zhuǎn)發(fā)面堆疊，控制面不堆疊，通常叫mlag。為了適應數(shù)據(jù)中心的組網(wǎng)拓撲，有演化出混堆，即spine-leaf模型，spine即父節(jié)點，可單臺，也可以多臺交換機組成堆疊，下掛leaf節(jié)點。

二、堆疊實現(xiàn)原理

先介紹幾個堆疊的背景知識，堆疊成員設備根據(jù)堆疊角色分為系統(tǒng)主，堆疊系統(tǒng)的管理者;系統(tǒng)備，系統(tǒng)主退出后升系統(tǒng)主;系統(tǒng)從，即成員設備，系統(tǒng)主設備與系統(tǒng)備設備都退出后，成員設備重啟。堆疊端口，很多廠商都實現(xiàn)了靈活堆疊，不用專門的堆疊模塊，用于堆疊的端口也是普通的端口，需要做工作模式切換，當被用作堆疊口時則將該端口配置為堆疊端口模式。插在堆疊端口上的光模塊線纜也是普通的光模塊與線纜，將普通口配置為堆疊口，插上線纜，就可以組建堆疊。管理報文的優(yōu)先級高于業(yè)務報文，所以就是出現(xiàn)廣播風暴，管理報文也不受影響，堆疊報文與業(yè)務報文一起轉(zhuǎn)發(fā)沒有可靠性問題。

以華為的數(shù)據(jù)中心交換機設備為例，介紹下交換機堆疊實的現(xiàn)原理。對于盒式備堆疊，管理通道與轉(zhuǎn)發(fā)通道是合一的，也就是說管理消息與業(yè)務流量承載在相同的鏈路上。堆疊建立過程與通常的網(wǎng)絡協(xié)議一樣，相鄰設備基于堆疊端口互發(fā)鏈路探測報文;探測到鏈路后再基于堆疊邏輯口互發(fā)鄰居發(fā)現(xiàn)報文;鄰居發(fā)現(xiàn)后再堆疊系統(tǒng)內(nèi)部成員設備發(fā)送堆疊競爭報文，成員設備收到優(yōu)先級高的競爭報文則自己停止發(fā)送競爭報文，最后只有系統(tǒng)主發(fā)送堆疊競爭報文;系統(tǒng)主再選一個成員設備作為系統(tǒng)備。

框式設備的堆疊又分為帶內(nèi)堆疊與帶外堆疊。帶內(nèi)堆疊就是管理報文承載在轉(zhuǎn)發(fā)通道，也就是管理通道與轉(zhuǎn)發(fā)通道合一，反之就是帶外堆疊。盒式設備都是帶內(nèi)堆疊，框式設備由主控板、網(wǎng)板及轉(zhuǎn)發(fā)板等單板組成。主控板是整框的管理者，堆疊主要部署在主控板上?？蚴皆O備的帶內(nèi)堆疊缺點多，如由于依賴業(yè)務板，堆疊建立特別慢，可靠性差，應用相對較少。只有交換機距離太大才會用到。帶外堆疊，根據(jù)前面的概念介紹，自然就是有專門的管理通道。這個時候管理通道與轉(zhuǎn)發(fā)通道分別建立堆疊，管理通道確定最終的成員設備信息，轉(zhuǎn)發(fā)通道要與管理通道保持一致。

為了適應數(shù)據(jù)中心的三級網(wǎng)絡模型，即接入層、匯聚層與核心層，演化出混堆技術。其中又分框式混堆設備與盒式設備混堆。性能較低的設備部署在接入層做leaf;性能較強的設備部署在匯聚層做spine?；於呀⒌倪^程與堆疊類似，但是leaf設備不需要發(fā)送競爭報文。為了提高系統(tǒng)的可靠性，一臺設備故障了也不影響其他設備還能有堆疊的優(yōu)點，就有了控制面不組建堆疊，僅僅轉(zhuǎn)發(fā)面組建堆疊mlag技術。

三、堆疊技術分析

堆疊技術的優(yōu)點分析，不改變硬件的前提下實現(xiàn)擴容，一般盒式設備堆疊都能支持9機堆疊。比如36個40GE端口的設備，一臺設備轉(zhuǎn)發(fā)帶寬1.44T，9機堆疊接近13T，具體還看網(wǎng)絡規(guī)劃中橫向流量大小，預留多少帶寬?？蚴皆O備支持2臺設備堆疊，帶寬基本擴大一倍。管理方便，整個堆疊系統(tǒng)共用一份配置，不需要對每臺設備都下一次配置;維護也方便，比如升級，一次升級一個系統(tǒng)，不用逐臺升級;混堆的時候，只需要升級spine的版本。

堆疊技術的不足，增加系統(tǒng)延時，比如9機堆疊，即便環(huán)形堆疊，系統(tǒng)主將轉(zhuǎn)發(fā)表下發(fā)到最遠的成員設備上，要經(jīng)過4跳，勢必會導致時延大、流量切換性能差。所以用得比較多的還是雙機堆疊或四機堆疊。

堆疊技術同時也會降低系統(tǒng)的可靠性，多級堆到一起時，帶寬翻倍，可靠性也是成比例降低。堆疊設備間耦合大，不同的業(yè)務特效耦合也很大，實現(xiàn)復雜，容易出問題。比如電信級的設備可靠性要求是5個9，穩(wěn)定性要求很高，不太會用9機堆疊。中間一臺設備異常復位或鏈路故障，成員設備聯(lián)系不到系統(tǒng)主，就會導致設備重啟，高可靠性場景下，核心交換機堆疊應用要慎重。

Mlag技術只對轉(zhuǎn)發(fā)面堆疊，所以不會一臺設備故障而影響另外一臺。不僅能對帶寬擴容，而且還能提高設備的可靠性，應用得非常廣泛。Mlag只支持兩臺設備，所以用于雙活備份場景。

四、結束語

本文上述分析中嘗試引入堆疊技術對核心交換機進行冗余設計與實現(xiàn)，并對各類故障狀態(tài)下核心交換機的冗余性能進行研究與分析。與傳統(tǒng)基于路由器的交換機冗余方案對比，基于堆疊技術的核心交換機冗余性能更為確切，大幅度提升了數(shù)據(jù)吞吐量;堆疊系統(tǒng)共用一個控制面，通過一臺設備管理整個堆疊系統(tǒng)，配置是在堆疊系統(tǒng)內(nèi)全局有效，大幅降低了設備的管理與運營成本。

參考文獻：

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