一種基于智能彈性架構的縱向異構方案

張玉芳,陳光禮,熊忠陽,嚴德汗

(1.重慶大學計算機學院,重慶400044;2.杭州華三通信技術有限公司北京研究所,北京100080)

一種基于智能彈性架構的縱向異構方案

張玉芳1,陳光禮1,熊忠陽1,嚴德汗2

(1.重慶大學計算機學院,重慶400044;2.杭州華三通信技術有限公司北京研究所,北京100080)

針對交換網絡中現有基礎架構設計復雜、端口擴展受限、維護成本高等問題,提出一種基于智能彈性架構(IRF)技術的縱向異構方案。將多臺低端交換機與IRF系統虛擬成一臺邏輯設備,以增加邏輯設備的端口數量、簡化管理,并降低大交換網絡的構建成本。在網絡拓撲層,采用跨板聚合技術將低端交換機與IRF系統之間的鏈路進行捆綁,對該鏈路上的流量實施負載均衡分擔;在協議控制層,將低端交換機的系統控制管理平面上移,由IRF系統進行集中控制和網絡決策管理。從可靠性、端口擴展、維護方面與現有方案進行對比分析,實驗結果表明,該方案能解決現有方案中的不足,并以較低的成本提高端口密度。

智能彈性架構;縱向異構;低端交換機;負載分擔;可靠性;端口密度

1 概述

隨著IT業務的不斷發展,網絡已成為企業IT運行的基石。企業的基礎網絡為支撐上層不斷變化的應用要求也在不斷地進行調整和演化。而在如今的大交換網絡時代,網絡的可靠性、流量負載均衡、后期可擴展和可維護性方面面臨著越來越大的挑戰。

以太網高可用性自動化網絡標準EC-62439提出了冗余到網絡和冗余至節點2類以太網冗余方案[1]。冗余到網絡方案主要采用 STP(Spanning Tree Protocol),RSTP(Rapid Spanning Tree Protocol)和MSTP(Multi Spanning Tree Protocol)3種生成樹協議技術[2]。其中,STP是基于802.1D的生成樹協議,主要應用在早期的交換網絡中。其雖能夠解決網絡環路和廣播風暴問題[3],但不足之處是,當網絡拓撲發生變化時,需要經過近60 s才能達到穩定。該收斂效果對網絡的可靠性提出了挑戰,不再適用于如今的大規模交換網絡。此后,IEEE在此基礎上提出了基于802.1W的RSTP協議。該協議通過重新細化端口角色、簡化端口狀態和采用新的狀態轉化機制,加快了網絡的收斂速度。上述2種協議均是單生成樹協議,若某條鏈路不在最小生成樹協議選中的路徑中,則該鏈路會被阻塞,其不能夠再承載任何流量,致使鏈路轉發流量不均衡,極端情況下會導致網絡癱瘓。針對上述方案的不足,提出了基于802.1S的MSTP(多生成樹協議)。該協議將整個交換網絡劃分成多個生成樹域,每個生成樹域由多棵生成樹組成。在生成樹域內,多個VLAN映射到不同的生成樹實例,致使整個網絡可流量均衡負載[4]。目前,該協議支持的技術方案已得到廣泛應用,但其也存在不足,即當網絡規模越來越大時,網絡規劃、設計較為復雜,并且后期的管理、維護成本也較高。

冗余至節點方案主要采用虛擬化技術,將多臺網絡設備虛擬化成一臺邏輯設備,從而減少了網絡的邏輯節點數,簡化了網絡管理。其典型代表包括Cisco的Stack wise、3COM的可擴展的彈性網絡[5](eXpandable Resilient Networking,XRN),以及H3C的IRF堆疊技術[6-7]。其基本思想是:在不改變傳統網絡物理拓撲和現有布線方式的前提下,對同層設備進行橫向整合,并在虛擬化設備上對所有成員設備統一進行配置和管理。由于虛擬技術所支持的設備移植了單臺設備的所有網絡特性,從而導致系統中能夠虛擬的成員設備數量極為有限。例如,IRF方案在最佳情況下能夠支持4臺盒式設備或者2臺分布式框式設備[8]。與MSTP方案相比,該方案減少了網絡中的邏輯節點數,簡化管理,從而進一步減少網絡維護成本。

盡管上述方案能減少需要管理的節點數,簡化管理,但在數據中心、云計算之類的大交換網絡中,邏輯節點數依舊較多、管理較為復雜。針對此問題,本文提出一種基于智能彈性架構(Intelligent Resilient Framework,IRF)的縱向異構方案。該方案通過將低端交換機作為業務板,與較高端的IRF系統進行跨層異構,達到以較低成本擴展更多數量設備的目的,從而在一個邏輯設備中提供更多端口,以降低整個交換網絡中的邏輯節點數。

2 IRF技術

IRF技術是針對交換機集群技術中受不同廠商的專用協議技術、固定設備型號的限制而提出的一種通用虛擬化技術[8]。該方案將多臺同系列網絡設備在物理層進行屏蔽,對外虛擬成一臺邏輯設備。系統控制層面和業務轉發平面完全分離,在整個邏輯設備中通過拓撲收集、角色選舉、主備倒換。將整個系統只分成一個master和多個slaver,實時進行1∶N備份,而不再采用集群技術中,將交換機集群分成命令交換機、成員交換機、備份交換機和候選交換機4種角色。

該方案采用多級分布式技術來保證軟件架構的通用性。同時,通過多激活檢測來維護整個系統的穩定與可靠,其中包括基于雙向轉發檢測[9-10]、基于免費地址解析協議和基于鏈路聚合協議[11]的分裂檢測。

3 縱向異構方案介紹

3.1 方案描述

本文在IRF方案的基礎上提出了一種縱向異構技術方案,該方案對匯聚層、接入層設備采用性能高低搭配方式進行縱向整合。在物理拓撲方面,本文方案模擬分布式框式設備中接口板與主控板之間的連接關系,將每臺低端設備與IRF系統中的多臺成員設備進行跨板互連,如圖1中的標識符①所示。通過5個階段完成該異構方案的拓撲建立。在上層協議控制方面,本文方案采用控制平面和業務轉發平面完全分離的技術,將 IRF系統中選舉出的Master作為異構方案的控制設備,管理整個系統的上層協議,比如路由協議(包括 OSPF/IS-IS/RIP/ BGP)和標簽轉發協議(包括LDP/RSVP-TE/BGP)。將學習后形成的路由信息表(RIB)、標簽信息表(LIB)、路由轉發信息表(FIB)和標簽轉發信息表(LFIB),下發到IRF系統中各成員設備。在本文方案中,所有成員設備均可作為業務板,進行業務轉發。而低端設備性能較IRF成員設備低,本文方案假設其不具備獨立轉發能力,只參與端口關聯緊密的功能。因此,來自低端設備的業務將通過對原始報文進行內部數據封裝,重定向到上層系統進行決策轉發;需要轉發到低端設備的業務,需在上層系統進行必要修改,在低端設備只需直接提取出端口地址進行轉發。

圖1 縱向異構拓撲

3.2 方案實現

3.2.1 相關術語定義

本文方案將IRF方案中對整個系統進行管理的主用主控板稱為主板MCB(Main Control Board),簡稱M;將用于對M中相關協議熱備份的備用主控板稱為備板BCB(Backups Control Board),簡稱B;而將只用于業務轉發的低端交換機稱為業務板LPU (Line Processing Unit),簡稱L;將用于管理L的唯一邏輯單元的邏輯聚合組LAG(Logic Aggregation Group)稱為LA。li為本方案中第i塊業務板;lak為該方案中的聚合組k;slak為第k個聚合組的槽號;rsli為第i塊業務板的運行狀態;crs為IRF與業務板槽號的臨界值。

3.2.2 拓撲構建

在本文方案中,L與M之間將通過配置、擴展槽號請求、版本請求更新、L注冊、配置與轉發表下發5個階段來完成異構系統拓撲構建。并且每個L與IRF系統之間的異構過程獨立,定期通過“hello”檢查報文來維護異構系統的穩定。低端設備li與IRF系統之間拓撲構建的過程如下:

(1)配置階段

該階段主要實現在M上對設備li進行異構配置。首先,本文方案利用LACP技術在IRF系統上創建一個邏輯聚合組lak。該聚合組將成為異構系統管理設備li的唯一邏輯單元,其主要信息包括li的擴展槽號slak、li運行狀態rsli{on|off|loading},以及縱向聚合鏈路vl{slak/plak}。其次,對lak中的配置進行初始化。1)動態分配 slak:為統一管理異構系統,本文方案設置了槽號臨界值crs,當 slak大于 crs時的設備為L,否則為IRF成員設備。因此,用戶只需為lak中分配一個大于crs的唯一值即可。2)對lak進行物理端口動態綁定:例如,將如圖1中標識符②,③,④所指端口加入到lak中。與IRF方案類似,本文方案也將擴展槽號引入到端口中,以保證所有端口在異構系統中唯一。同時加入到lak中的成員端口成為系統的內部端口,只參與內部報文的轉發,外部鄰居不可訪問。因此,lak中的成員端口承載著 li與 IRF系統之間的全部流量轉發功能。3)rsli是該異構系統對li學習的結果。rsli會隨著 li在系統中的不同階段而動態改變。例如,li未加入異構系統之前,rsli狀態為off,系統不對lak中的端口進行業務轉發決策;反之,當li成功加入該系統,且未異常,則rsli狀態為on,并讓對應lak中的端口采用內部業務報文和配置報文的決策與轉發。

(2)請求與分配階段

本文方案在IRF系統平臺上可以運行若干個lak,而在每個li上僅允許運行一個laj。laj主動向lak發送擴展槽號slak請求直到li與IRF完成綁定。即當在laj上完成對li的配置,并成功建立第一個鏈路后,li會定期從laj中選擇鏈路狀態為Block的端口通過上行鏈路向lak發送slak請求報文。若lak中接收到slak請求報文的端口來自主板M,則可直接按圖2進行相應的分配處理。而若來自備板B則需首先將該報文通過IRF互聯鏈路轉發給主板M,再進行同樣處理。

圖2 槽號分配處理過程

(3)L版本加載階段

laj與lak建立映射后,li方可與M進行最新版本信息交互。首先,li通過上行鏈路向M發送版本信息比較報文。待li收到M上擁有的最新li版本信息后,與自身保存的版本信息進行比對:若兩者一致,則li無需加載,自動重啟,否則,li通過向M發送版本請求,更新本地版本信息,然后加載,加載完成確認等交互,最后重啟完成li對M的版本加載。

(4)L注冊階段

li完成最新版本加載后,主動向M響應一次板熱插拔事件[12],M根據現有機制完成li在IRF系統中的注冊。

(5)配置下發階段

li完成在IRF系統上的注冊后,M會把li的當前配置下發到li上。

任何li成功完成這5個階段后,均能夠動態地加入到IRF系統中,并通過鏈路檢測機制來實時維護最新的拓撲結構。當li離開IRF系統時,由于本文方案具有超時機制,能夠主動響應一次板拔出事件,從而將slak從IRF系統中注銷。但仍然保留lai,且處于監聽狀態,并實時等待新的設備li加入。若lai被用戶主動刪除,或者成員端口被解除綁定,則這些成員端口恢復到普通端口模式。

3.2.3 業務轉發

與IRF方案類似,本文方案中主板M會定期與外部鄰居進行協議的狀態更新,從而獲得全網的實時路由信息。主板M將路由信息與必要二層網絡信息形成FIB、LFIB轉發表,最終下發到M和B管理的所有接口卡。而本文方案中的li主要是對M和B的端口進行擴展,成本低,但性能不及M和B。因此,假設li不具備獨立查表轉發能力,其業務需要通過“內部通道”由上層決策。于是,本文方案增加了一種新的內部報文頭,其格式如圖3所示。

圖3 業務報文封裝格式

業務流量轉發的決策過程如下:

當li收到外部鄰居報文后,首先提取li中接收到報文的端口p和槽號slak,按照圖3所示的內部報文封裝格式,對原報文進行封裝,然后通過縱向鏈路重定向到上層平臺lak進行轉發決策。當上層lak收到來自li中聚合組laj的報文后,首先對報文進行解包,獲取該報文的目的地址,然后進行查表,若轉發表中存在,則按照轉發表的信息,將轉發出端口所在槽號slak、端口p以及類型進行必要修改,重新封裝,通過“內部鏈路”轉發到相應設備。若不存在,則需將該內部報文重定向到主板M進行地址學習,完成上述轉發決策,并將學習到的轉發表在所有備板B上進行備份。當li收到上層lak方向的報文后,首先對報文進行內部解包,提取類型和出端口,若為轉發報文,則直接將解后的報文從出端口轉發,否則丟棄。

3.2.4 流量負載均衡

由于每個lai的成員端口都支持動態LACP協議,因此成員端口之間都能夠承擔流量負載[12]。在聚合組lai中,首先每條鏈路的本端(Actor)與對端(Partner)能夠依據之前交互的聚合信息,建立起鏈路聚合控制狀態[13]。然后每條鏈路會周期性交互LACP數據報文來維護該鏈路的有效性。即聚合鏈路中的本端和對端雙方定期互相發送一次握手報文。若在規定時間內未收到對端的握手報文,則本文方案認為該鏈路已斷開,無法繼續工作,需要將該鏈路狀態設置為阻塞狀態,不進行轉發鏈路選擇;否則該鏈路一直處于轉發狀態,允許被選中為轉發鏈路。

同時本文方案采用更優越的路徑選擇決策方法,保證流量在網絡鏈路上負載分擔。即對laj與lak之間的報文根據其類型和轉發方向(分為上行流量和下行流量)進行不同的決策。當來自li的上行流量報文時,單播和組播采用特定Hash均衡算法,在laj中被選中的鏈路進行流量均衡分配。轉發路徑如圖4中①,②,③的箭頭方向所示。當來自M或者B的下行流量時,若報文為單播,則對lak中成員端口采用本地轉發優先策略,避免通過IRF互連鏈路進行跨設備轉發,占用橫向鏈路帶寬。若存在多條本地鏈路,則對這些鏈路進行HASH選路,路徑如圖4中的④,⑤所示。若沒有本地鏈路,才通過IRF橫向聚合鏈路,繞道lak中的其他成員端口進行轉發。若報文為組播時,本文方案將在每個lai中選擇一條到對應laj的最短鏈路進行轉發其中廣播和組播策略一致。

圖4 流量負載分擔

因此,本文方案采用LACP技術、基于報文類型和縱向鏈路流量方向的負載均衡策略,能確保整個網絡流量在縱向鏈路中負載均衡,同時降低了下行流量占用IRF系統橫向鏈路帶寬的機率。

4 性能分析

本文方案對IRF系統進行縱向異構的過程中,采用高低性能搭配、多級冗余設計、更優轉發策略,從而使本文方案在可靠性、擴展性與維護性等方面得到較大提高。

4.1 可靠性

一方面,由于IRF方案是把多臺物理設備虛擬成一臺邏輯設備,所有成員設備的端口都成為公共端口,因此本文方案將這些公共端口進行跨板聚合[13]形成若干個邏輯聚合組 LA{la1,la2,…,lak,…},其中,每個lak中的所有成員端口都運行LACP協議。例如,當l1與IRF系統建立拓撲后,圖5中的標識符①,②,③所指鏈路將捆綁成一條邏輯鏈路。只有當該邏輯鏈路中第一條鏈路建立或最后一條鏈路釋放時,才需要進行對整個交換網絡l2/l3重收斂計算和對FIB、LFIB表更新,這種鏈路冗余設計方式減少了因為某條物理改變導致網絡拓撲重計算頻率,使業務能夠不中斷轉發的概率得到顯著提高。而在現有的方案中,每個li都作為交換網絡的一個節點,圖中標識符①,②,③所指向鏈路作為交換網絡中的生成樹被選動態橋段之一,當網絡中任何一條鏈路狀態發生變化時,均需通過生成樹協議進行重收斂計算,找出最佳生成樹,降低了網絡運行的可靠性。另一方面,在整個異構系統運行過程中,主板M會將本文方案中的運行協議配置信息、支撐協議的運行數據(比如狀態機或者會話表項等)以及轉發表,在每個備板B上進行1∶N協議熱備份[14]。這種備份設計能夠在主板M出現故障時,根據IRF的主備倒換技術快速從備板B中選出新的主板M接管故障設備;在備板B出現故障時,僅需對故障設備上業務快速切換到其他非故障設備;在有新lk加入時,主板M能快速下發相關配置,使其正常運行,從而保證了該異構系統在協議層面更可靠。因此,本文方案的多冗余設計有效地提高了系統的可靠性。

圖5 多級冗余設計

4.2 擴展性

由于本文方案中低端交換機只運行與端口相關的功能,其他配置與業務決策管理均由處理能力更強的上層交換機實現,因此能夠對更多的低端設備進行異構,有效解決了IRF系統端口擴展受限的不足。如下所示,可計算出該方案(交換網絡中的一個邏輯節點)能提供的端口數:

其中,N表示該方案提供的端口總數;Npl3表示支持IRF方案的一臺三層交換機端口數量;Nl3為三層交換機的數量;Npl2為一臺作為li的二層交換機端口數量;Nl2為二層交換機的數量;Ali為設備li上聚合成員端口的總數。根據實驗,得到如表1所示的實驗數據。

表1 最佳異構匹配實驗結果

根據上述實驗數據和N的計算公式可以得到本文方案與其他2種方案單個邏輯節點端口擴展能力對比情況,如圖6所示。結果顯示,本文方案在端口擴展方面比其他2種方案具有明顯優勢。同時也注意到擴展并不是理論上的線性關系,其原因主要是隨著業務板的增多,整個系統處理負載加重。

圖6 單個邏輯節點端口擴展性比較

4.3 維護性

在大交換網絡中,可以根據本文方案端口擴展的優勢,采用最佳數量比的低端交換機和處理能力較強的交換機進行異構來構建整個交換網絡。通過表1實驗數據和N的計算公式模擬在大交換網絡中提供相同數量的端口時網絡中的邏輯節點數和高低端設備組成情況,實驗結果如圖7和圖8所示。圖7的結果顯示,在大交換網絡中,提供相同端口本方案邏輯節點數遠低于其他2種方案,特別是網絡中需提供端口數量越多,效果越明顯;圖8的結果顯示,在大交換網絡中,本文方案低端設備占設備總數的比例也是隨著端口的增加而增大(如圖8中從上向下第2條線所示),而其他2種方案只能采用處理能力較強的設備(如圖8中從上向下第1條線所示,2個方案線條重合,而低端設備數始終為零,2條線橫坐標軸上重合)。這大大降低了構建同等級網絡的成本。

圖7 交換網中相同數量端口的管理節點數比較

圖8 交換網絡中的各層設備數量

5 結束語

本文采用跨板鏈路聚合和網絡集中控制決策技術,將2種不同性能的網絡設備縱向異構成一臺邏輯設備,大大降低整個交換網絡中的邏輯節點數,簡化后期維護和網絡管理,同時明顯改善了端口擴展性。隨著網絡設備處理能力的提高,今后還需解決業務板本地業務本地化管理的問題,緩解上層系統的負擔。

[1] Huynh M,Goose S,Mohapatra P.Resilience Technologies in Ethernet[J].Computer Networks,2010,54(1):57-78.

[2] 李延冰,馬 躍,王 博,等.IEEE三種生成樹技術分析與比較[J].計算機應用,2005,25(11):2499-2501.

[3] 郭彥偉,鄭建德.生成樹協議與交換網絡環路研究[J].廈門大學學報:自然科學版,2006,45(增刊): 301-304.

[4] de Sousa A F.Load Balance and Resilience of Ethernet Carrier Networks with IEEE 802.1S Multiple Spanning Tree Protocol[C]//Proc.of Networking International Conference on Systems and International Conference on Mobile Communication.Morne,Mauritius:[s.n.],2006: 95-101.

[5] Guo Yucheng,Guo Qingping.A Virtual Server Scheme Based on LVS and XRN[C]//Proc.of International Symposium on Distributed Computing and Applications to Business,Engineering and Science Proceedings. Wuhan,China:[s.n.],2004:140-143.

[6] 杭州華三通信技術有限公司.IRF 2.0技術白皮書[Z].2009.

[7] 杭州華三通信技術有限公司.H3C S12500 IRF2.0技術白皮書[Z].2012.

[8] 陳麗佳.絡設備IRF虛擬化堆疊技術設計與實現[D].南京:南京郵電大學,2011.

[9] Fils C,Word D D.Technique forDistinguishing Between Link and Node Failure Using Bidirectional Forwarding Detection(BFD):USA,US8082340[P]. 2011-12-20.

[10] 高 鑫.向轉發檢測(BFD)協議研究[D].北京:北京郵電大學,2007.

[11] 王培英,肖志輝,李本源.基于LACP多激活檢測方法和處理機制的研究[J].電信科學,2013,(5):95-99.

[12] 陳志列,龐觀士,劉志永,等.Compact PCI熱插拔系統設計與應用[J].鐵道通信信號,2011,47(5):13-17.

[13] 鄭 濤,郭裕順.基于LACP協議的鏈路聚合狀態機模塊的實現[J].計算機系統應用,2010,19(5): 104-108.

[14] 李曉娟,陳存社.熱備份路由及負載均衡在VLAN中的實現[J].計算機工程與設計,2005,26(5): 1203-1204.

編輯 任吉慧

A Longitudinal Heterogeneous Scheme Based on Intelligent Resilient Framework

ZHANG Yu-fang1,CHEN Guang-li1,XIONG Zhong-yang1,YAN De-han2
(1.College of Computer Science,Chongqing University,Chongqing 400044,China;
2.Research Institute of Beijing,H3C Technologies Co.,Ltd.,Beijing 100080,China)

Aiming at the existing problems in the current network infrastructure,which have complex design,limited port expansion and high maintenance costs.This paper proposes a longitudinal heterogeneous technology scheme based on Intelligent Resilient Framework(IRF)virtualization technology.This scheme virtualizes several low-end switches and IRF system into a single logical device.On one hand,the numbers of ports of the logic device are increased,meanwhile it is sampler to manage for big switching network.On the other hand,the scheme reduces the cost of building big switching network.In the plane of network topology,multiple longitudinal links between low-end switch and IRF system are bound to a logic link by LACP technology,and the traffic can be balanced sharing among them.In the plane of protocol control, the system control and management pane of the low-end switch is shifted up,and it is centrally controlled and decided by IRF system.Finally,the paper analyzes the reliability,traffic load balancing,expansion and maintenance with the existing schemes.Experimental results show the scheme can solve the shortcomings of the existing schemes,and enhance the port density with lower costs.

Intelligent Resilient Framework(IRF);longitudinal heterogeneous;low-end switch;balanced sharing; reliability;port density

1000-3428(2014)09-0096-06

A

TP393.02

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.09.020

張玉芳(1956-),女,教授、博士,主研方向:數據挖掘,網絡入侵檢測;陳光禮,碩士研究生;熊忠陽,博士;嚴德汗,碩士。

2013-09-02

2013-11-08E-mail:pzhcgl@163.com