企業網高性能雙核心網絡架構研究與應用*

董 坤，黃存東，薄 楊

(安徽國防科技職業學院信息工程系，安徽六安237011)

經過不斷的發展，如今的互聯網在規模、連接對象和承載應用等方面都已發生了巨大的變化.企業網作為互聯網中重要的承載網絡，也已從簡單地實現辦公區網絡連通，以滿足單一的數據通信，發展到如今能夠支撐企業整體發展戰略，且具有高可用性、高穩定性和高安全性的大型網絡.

如今的企業網承載的業務多種多樣，連接模塊眾多，技術體系復雜［1，2］.復雜多樣的網絡部署決定了網絡接點與鏈路之間將不可避免的出現網絡故障，而故障的出現將直接影響企業業務的順利開展.因此，實現網絡的高可用性是網絡部署成功的基本保障，提高網絡可用性是網絡部署成功的一個關鍵因素.

1 高可用性分析

網絡可用性(Availability)的高低由兩個因素決定，即網絡系統正常運行時間(MTBF)和網絡系統恢復時間(MTTR)［3，4］.傳統意義上的可用性定義為系統正常運行時間占總運行時間的比例，網絡系統總運行時間包括了網絡系統正常運行時間和網絡系統恢復時間兩部分.

可用性的計算公式:

通過分析公式可知，在網絡運行過程中，盡可能地降低網絡系統平均恢復時間，是提高網絡可用性的根本途徑.即當網絡不可避免的出現故障時，網絡應能夠及時發現故障，并主動進行收斂計算，以保障業務流量快速、正確的收斂.

目前，在企業網絡實際拓撲的設計以及網絡部署過程中，雙核心架構是普遍采用的用于提高網絡可用性的解決方法.該方案網絡部署較為簡單，且效率較高，能夠滿足一般企業的需求.

2 雙核心架構

雙核心架構在處理多路徑冗余方面具有明顯優勢.在雙核心架構中，OSPF、VRRP、STP(MSTP)、NQA等協議的運行，是高效處理多路徑冗余的保障［3］.典型的雙核心高可用網絡部署拓撲如圖1所示.

圖1 典型雙核心網絡拓撲

雙核心架構部署在核心層到匯聚層間部署OSPF等動態路由協議，以保障路由的高可用性;在匯聚層網關設備上部署VRRP協議處理多網關冗余，將不同的接入層數據引入不同的上行鏈路.匯聚層到接入層之間部署STP(MSTP)協議解決二層網絡環路冗余;在接入層，需對接入層接口進行合理的VLAN劃分，以對終端區分不同的業務流量;并可根據實際需要在多臺設備間部署狀態熱備.

VRRP協議具有很大的應用價值，該協議可以在最大限度減少管理費用的基礎上，大幅度提升網絡性能.在VRRP協議部署時，將兩臺匯聚層設備組成一個VRRP組，一般將配置較高的設備設置成主控設備，負責ICMP重定向、ARP應答和報文轉發等工作，在主控設備出現故障時，另一臺匯聚層設備立即進行角色切換，成為主控設備，接管原有主控設備的所有工作.在VRRP協議的實際應用中，如果主控設備正常運轉，那么備用設備的角色將永遠不會轉變，備用設備不會參與ICMP重定向、ARP應答和報文轉發等工作，這也就相當于閑置了備用設備對應的上行鏈路.此時，VRRP協議雖然實現了鏈路冗余備份，但其網絡的整體利用率較低，這在實際網絡部署中是不容許的.因此，在實際應用中，可以將兩臺匯聚層設備設計成兩個互為備份的VRRP組，一個VRRP組中的主控設備同時又是另一個VRRP組中的備用設備，這樣不但實現了設備備份，也充分利用了匯聚層設備的上行鏈路，實現流量的負載均衡，提高網絡的可用性.

3 雙核心高可用性

在雙核心網絡架構中，OSPF、VRRP、STP(MSTP)等協議保障了整體網絡的高可用性，而在對各層進行詳細拓撲設計時，各層間設備之間可能出現的連接方式是變化多樣的.不同的設計方案，會對雙核心的運行效果產生不同的影響.

3.1 核心層與匯聚層設計

核心層與匯聚層之間一般運行OSPF、RIP等動態路由協議，動態路由協議保障了網絡中路由信息的高可用性，但不同的拓撲連接會直接影響網絡出現故障后的收斂速度和網絡維護成本，從而對核心層與匯聚層網絡的可用性產生影響.常見的核心層與匯聚層拓撲有兩種，如圖2所示.

圖2 核心層與匯聚層典型環狀拓撲(左)、網狀拓撲(右)

環狀拓撲的設備連接較為簡單，在網絡組建以及維護中具有明顯優勢，但在該連接方式下，網絡對信息延遲敏感度較低，當網絡出現故障時，故障的收斂速度較低;網狀拓撲具有很高的信息延遲敏感度，能夠以相對較高的效率對數據進行轉發，當網絡出現故障時，也能較快地完成故障收斂，盡可能降低系統恢復時間，以提高網絡可用性.但該連接方式會使網絡部署相對復雜，復雜的網絡連接不但增加了故障發生的機率，還使得網絡的維護成本增加.

一般情況下，核心層與匯聚層之間的網狀拓撲被認為是一種“弊大于利”的過度冗于拓撲.在雙核心架構的實際應用中，如果對信息延遲敏感度及故障收斂速度等沒有特殊要求，則采用環狀拓撲便能滿足需求.

3.2 匯聚層與接入層設計

雙核心架構中，匯聚層及接入層運行的 VRRP［5－7］以及MSTP［7］協議在處理多路徑冗余中發揮著至關重要的作用.同核心層與匯聚層可能存在多種設備連接情況相同，在匯聚層與接入層設備連接時也會存在多種情況，不同的設備連接情況同樣會對網絡可用性產生影響.常見的匯聚層與接入層拓撲如圖3所示.

圖3 匯聚層與接入層三角狀拓撲(左)、網狀拓撲(右)

三角狀拓撲具有故障收斂時間短、鏈路冗余及路徑冗余處理能力強的特點.一般情況下，匯聚層與接入層之間采用三角狀拓撲，在該拓撲連接情況下，接入層設備直接與匯聚層設備采用雙上行拓撲相連，所形成的三角環為最小環，三角環在保障了直接雙上行的基礎上，保障了網絡的最快故障收斂速度和最小信息延遲.

在有些情況下，網絡設計者為了增加網絡冗余鏈路的數量，提高網絡冗余處理能力，會在三角狀拓撲的基礎上，將接入層交換機間直接相連，以實現全網狀交叉冗余.形成的網狀拓撲從表面來看，增加了冗余鏈路的數量，提高了冗余處理能力，但在實際應用過程中，該拓撲在運行時反而會增加STP協議的計算難度，影響生成樹的生成.因此，網狀拓撲實際上是一種過度冗余設計，在實際工程中一般不應用該拓撲進行網絡部署.

3.3 其他設計

為盡可能降低網絡系統恢復時間，提高網絡的可用性，可以在網絡中部署NQA、BFD等協議，對網絡響應時間、網絡抖動、丟包率等網絡信息進行統計，盡快檢測到相鄰設備之間的網絡故障，以便能夠及時采取措施實現快速收斂.

4 總結

如今的企業網需具備更強的業務承載能力，覆蓋范圍逐漸延伸，業務類型不斷豐富，網絡體系逐漸趨于復雜，企業網正向著范圍更大、速度更快、服務更智能的方向發展.使企業網具備高可用性已成為企業網設計和部署時的基本要求，而降低網絡系統恢復時間是提高網絡可用性的根本途徑.

MSTP+VRRP雙核心架構提供了很好的多路徑冗余處理能力，但在雙核心各層拓撲的設計與部署過程中，如果設計不合理，很可能導致網絡部署的冗余過度，使得網絡的整體利用率降低，網絡性能下降.因此，在雙核心架構的設計與部署過程中，需要根據企業實際需求對核心層、匯聚層和接入層的網絡拓撲進行詳細設計，從細節上完善雙核心架構，保障雙核心架構的高可用性.

［1］張曉.吉首大學校園網性能分析與設計［J］.長沙大學學報，2010，(2):79 －81.

［2］朱宇蘭.建設高效實用的校園網硬件平臺［J］.長沙大學學報，2012，(2):60 －63.

［3］杭州華三通信技術有限公司.新一代網絡建設理論與實踐［M］.北京:電子工業出版社，2012.

［4］張慧.基于企業網雙核心高可用性應用方案研究［J］.中州大學學報，2012，(4):117 －119.

［5］張志成.基于冗余架構的校園網多出口系統的設計與實現［J］.計算機科學，2012，(S2):219 －222.

［6］王東.VRRP協議實現園區網絡的路由冗余和負載均衡［J］.重慶科技學院學報，2010，(5):155 －157.

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