CSS集群技術在地震核心網中的應用1

常 俊 李瑞華

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CSS集群技術在地震核心網中的應用1

常 俊 李瑞華

（陜西省地震局，西安 710068）

隨著網絡虛擬化技術的發展，以及地震系統業務內容的擴展，原地震行業網絡核心層從性能上已逐漸難以滿足需求。為保障網絡可靠高效運轉，同時為滿足地震行業網絡零中斷的需求，利用新一代CSS交換機集群技術，采用中間設備臨時接管的方法，對地震核心網進行了平滑改造升級，通過升級簡化了網絡結構，提高了網絡效能。

CSS 網絡虛擬化 地震核心網

引言

近幾年，多次災難性地震的發生，令社會公眾對地震行業的要求與期望值越來越高，這也促使了地震系統各類業務的快速增長。不斷擴充的業務內容，更為高標準的業務要求，帶來網絡負載的飛速增長以及網絡中路由的日趨復雜，這為已建設多年的陜西省地震網絡系統的核心層帶來了較大的壓力，使其難以有效支撐。因此，對核心網絡進行改造升級，搭建一個更為安全、穩定、可靠、高效的網絡環境勢在必行。

隨著網絡技術的快速發展，網絡虛擬化作為近年來的新興技術與研究熱點，多家網絡設備公司都推出了其最新的研究成果。CSS集群技術作為其中的一種，通過將多臺交換機虛擬為一臺的方式，具備了簡化網絡結構、易于維護管理、穩定高效運行等特點（肖磊等，2010；David Newman，2008），可充分滿足地震系統網絡運行的迫切需求。本文將其應用到地震核心網的改造升級中，成功地解決了現有的網絡問題，提升了網絡的性能。

1 現有網絡分析

1.1 現有網絡基本情況

陜西省地震網絡系統采用核心層、匯聚層、接入層三層架構形式，網絡拓撲如圖1所示。其中，接入層為二層轉發模式；匯聚層采用了2臺交換機的堆疊，以提高匯聚層的可用性與可靠性，匯聚層交換機中配置了用戶的網關；核心層為2臺HUAWEI S6503交換機以心跳線互聯，通過VRRP協議形成雙機熱備模式，每臺核心交換機上分別連接部分地震系統服務器，下行通過光纖連接各樓層匯聚交換機，上行通過電口一方面連接核心路由器，實現與中國地震局及其他省局的互連（趙軍等，2009），另一方面連接出網設備，實現與互聯網的互連。核心交換與上下行設備之間均啟用OSPF協議進行路由學習，實現網絡互通。

1.2 現有網絡缺陷分析

在現有網絡結構基礎上，地震系統業務已持續運行近10年。隨著網絡設備的增加、網絡規模的擴展，以及地震系統業務內容的增多，上述網絡系統在運行中逐步顯現出一些不足。

（1）設備老化而引發的故障隱患

現有核心交換機于2007年投入使用，至今已有7年時間，經過長時期的持續運轉，設備的可用性與可靠性都有了一定程度的下降，出現故障的概率相應提升。雖然雙機熱備的模式保障了在核心交換機出現單臺故障時鏈路的正常通信，但由于2臺核心交換機上分別連接有不同業務內容的服務器，因此，當其中1臺出現故障時，會導致連接在該臺交換機上的服務器全部無法提供服務，這會直接影響到地震系統多方面業務的正常運行。

（2）VRRP協議引起的故障恢復時間過長

2臺核心交換機之間通過VRRP協議形成雙機熱備模式。在正常狀態下，通過核心交換機上的配置實現了各樓層業務的分流，即部分樓層主要業務走核心1，其余業務走核心2，若其中1臺核心交換機出現故障宕機時，路由將重新收斂，由另1臺交換機承擔全部業務，以保障鏈路的正常通信。但是由于VRRP協議自身的性能問題，其故障收斂時間為秒級，難以滿足現今網絡的高效性要求（司桂榮等，2014；張營等，2011）。

（3）應用OSPF協議導致的網絡轉發效率的降低

在現有網絡結構中，核心交換與上下行設備之間均通過OSPF進行路由學習，實現鏈路互通。但由于地震行業的特點是省局不僅需要與省內的數百個節點進行通信，還需與中國地震局、其他省地震局之間進行通信（趙軍等，2009），由此而導致學習的路由表規模較大。對于匯聚層的交換機而言，其實際應用的路由簡單明了，因此龐大的路由表在一定程度上降低了網絡的轉發效率。

（4）帶寬利用率低

雖然各樓層匯聚交換機均雙鏈路上行至核心交換，但由于核心交換之間運行的VRRP協議，形成了鏈路冗余備份，因此同一時刻只有其中一條鏈路處于工作狀態，未能充分有效的利用提供的帶寬。

（5）管理維護較為復雜

在網絡中，2臺核心交換機呈現為2個單獨的實體，擁有各自的ip地址與配置文件（趙銳等，2014）。在對網絡進行擴展或調整時，需要同時對2臺設備進行配置修改，而進行網絡故障排查時，需同時從2臺設備著手，查看各自與相互之間的運行狀態，對日常網絡的管理維護而言，具有一定難度。

2 CSS集群技術概述

2.1 CSS集群技術的定義與特征

集群交換系統CSS（Cluster Switch System），又被稱為集群，是華為公司采用的交換機虛擬化技術。它是指將多臺支持集群特性的交換機設備組合在一起，從邏輯上組合成1臺整體交換設備。集群的物理連接方式可分為集群卡集群和業務口集群。集群卡集群是通過集群卡的集群端口連接構建集群系統；業務口集群是通過特定業務單板的業務口連接構建集群系統。CSS的典型特征有（圖2）：

（1）交換機多虛一：CSS對外表現為1臺邏輯交換機，控制平面合一，統一管理。

（2）轉發平面合一：CSS內物理設備轉發平面合一，轉發信息共享并實時同步。

（3）跨設備鏈路聚合：跨CSS內物理設備的鏈路被聚合成一個TRUNK端口，和下游設備實現互聯。

2.2 CSS集群的建立過程

2.2.1 集群設備線纜連接

經前期測試比較，本文中的核心交換升級選用的設備型號為HUAWEI S7712，采用的集群方式為集群卡集群。每塊主控板上插一塊VSTSA 集群卡，每塊集群卡上有4 個集群口，2臺設備都需要配置2塊主控板。為實現2臺S7712通過建立集群關系虛擬化為1臺更為強大的設備，需通過專用的集群電纜將集群口按照一定的規則連接起來，具體連接方式如圖3所示。

2.2.2 角色選舉

集群建立時，成員交換機之間相互發送競爭報文。通過競爭，1臺成為主交換機，即Master，負責管理整個集群系統；另1臺則成為集群備份交換機，即Standby。主交換機的選取規則為：

（1）運行狀態比較：最先完成啟動，并進入集群運行狀態的交換機優先競爭為主交換機。

（2）集群優先級比較：集群優先級高的交換機優先競爭為主交換機。

（3）MAC地址比較：當設備同時完成啟動，并且集群優先級又相同時，MAC地址小的交換機優先競爭為主交換機。

（4）集群ID比較：當2臺交換機同時啟動，且集群優先級和MAC地址都相同時，集群ID小的交換機成為主交換機。值得注意的是，集群中的2臺成員交換機必須擁有不同的集群ID，相同ID的2臺交換機不能建立集群。

缺省狀態下，交換機的集群ID、集群優先級都為1，集群功能也不能使用，因此，在建立集群時，需手動進行交換機配置。具體操作步驟為：

（1）在系統視圖下執行命令set css id new-id，配置成員交換機的集群ID，分別為1和2。在集群建立后，交換機的集群ID不可隨意修改，否則會導致集群分裂。

（2）執行命令set css priority new-priority，配置設備的集群優先級。

（3）執行命令css enable，啟用交換機的集群功能，并按照提示重啟交換機。對于希望作為主交換機的設備可選擇優先重啟。

2.2.3 配置同步

集群具有嚴格的配置文件同步機制，用來保證集群中的多臺交換機能夠像一臺設備一樣在網絡中工作。集群建立時，成員交換機在啟動開始階段使用各自的配置文件啟動。啟動完成后，備交換機會將本設備的集群相關配置合并到主交換機的配置文件中，形成集群系統的配置文件。集群正常運行后，主交換機作為集群系統的管理中樞，負責將用戶的配置同步給備交換機，從而使集群內各成員交換機的配置隨時保持一致。通過即時同步，集群中的所有成員交換機均保持相同的配置。即使主交換機出現故障，備交換機仍能夠按照相同的配置執行各項功能。配置的同步過程由交換機自主完成，無需人工干預。

2.2.4 集群狀態檢查

集群建立后，可通過兩種方式查看集群建立的狀態。一種是通過集群卡上的指示燈查看，建立成功的指示燈為：4塊集群卡中只有1塊集群卡的MASTER燈綠色常亮；1臺交換機的2塊集群卡上編號為1的CSS ID燈綠色常亮，另外1臺交換機的2塊集群卡上編號為2的CSS ID燈綠色常亮；集群卡上ACT/LINK燈綠色常亮。另一種是通過命令行方式查看：

（1）執行命令display device查看設備單板狀態（圖4）。

（2）執行命令display css status all查看集群系統的狀態（圖5）。

圖5 集群建立成功后的系統狀態

（3）執行命令display css channel檢查集群鏈路狀態（圖6）。

圖6 集群建立成功后的鏈路狀態

3 應用CSS技術改造升級中的幾點關鍵問題

3.1 零中斷平滑升級

鑒于地震行業的特殊性，地震臺網監測與速報等重要業務的網絡需24小時不間斷運轉。而實施核心交換的改造升級，受機房環境所限，涉及到將原核心設備從網絡中摘除下架，再將新核心交換機上架、啟動、連接上下行線路等一系列過程，必將耗費較長時間，若在此時間段內發生地震事件，將造成不可挽回的后果。因此，如何在保障臺網重要業務的前提下最短時間斷網，成為實施中需要考慮的首要問題。

經研究討論，筆者最終決定通過以下步驟進行：

（1）在2臺新核心交換機上架前，完成其除訪問控制策略之外的其他所有配置，并加電測試其集群建立過程的狀態與時長是否與預期一致。此后，將配置好的核心交換與上下行需連接的所有設備逐一進行互聯測試（張營等，2011），查看在集群狀態下雙方能否正常通信，以避免新核心交換機上架完成后出現鏈路不通的情況。

（2）準備1臺臨時三層交換機，在其上按照臺網重要業務上下行鏈路的需求提前予以配置并做好測試。在實施新舊交換機更替時，將臺網業務運行所需的線路臨時連接至該交換機，該操作簡單快捷，這樣既可保障重要地震臺網數據的正常通信，也減輕了交換機替換實施過程的壓力（圖7）。

（3）將原核心交換機下架，新設備上架，并連接好除臺網業務之外的所有線路與服務器，待網絡測試通暢之后，再將臺網線路移至新交換機，實現全網業務的恢復。此時，網絡運行在全通狀態。

（4）逐步添加訪問控制策略，并在服務器上設置雙網卡綁定，至此完成核心網絡的改造升級。

3.2 全網路由梳理與改造

原有網絡結構中，核心交換與上下行設備間均通過OSPF路由學習實現鏈路通信，正如1.2節中所述，該方式降低了網絡的轉發效率。為解決這一問題，在核心交換升級改造過程中，根據網絡實際需求，對全網的路由進行了梳理與改造。改造后的路由模式為：一是OSPF域的范圍只包含核心交換機上行端口和上聯設備的端口；二是核心交換機與下行互聯設備之間使用靜態路由，即核心層與匯聚層、匯聚層與接入層全都使用靜態路由；三是在配置OSPF路由選擇協議的設備上，根據需要引入靜態路由選擇協議；四是核心交換機上使用默認路由配置內網用戶訪問Internet網絡。

3.3 鏈路聚合技術的應用

3.3.1 鏈路聚合技術定義

鏈路聚合（Link Aggregation）是將一組物理接口捆綁在一起，作為一個邏輯接口來增加帶寬的一種方法，又稱為多接口負載均衡組（Load Sharing Group）或鏈路聚合組（Link Aggregation Group）。

3.3.2 基于集群交換機的鏈路聚合的應用

集群技術支持跨框鏈路聚合Eth-Trunk，用戶可以將不同成員設備上的物理以太網端口配置成一個聚合端口。即使某些端口所在的設備出現故障，也不會導致聚合鏈路完全失效，其它正常工作的成員設備會繼續管理和維護剩下的聚合端口。這樣既可以增大設備容量，又可以進行設備間的業務備份，增加可靠性。改造升級后的2臺核心交換機通過CSS技術實現集群，與上下行設備之間均使用2條物理鏈路通過鏈路聚合實現互聯。具體實現方法為：

（1）在集群系統創建Eth-Trunk，并加入Eth-Trunk成員接口。示例如下：

system-view

Enter system view, return user view with Ctrl+Z.

[SXDZJ_S7712]interface eth-trunk 31

[SXDZJ_S7712-Eth-Trunk31]quit

[SXDZJ_S7712]interface GigabitEthernet 1/11/0/12

[SXDZJ_S7712-GigabitEthernet1/11/0/12]eth-trunk 31

[SXDZJ_S7712-GigabitEthernet1/11/0/12]quit

[SXDZJ_S7712]interface GigabitEthernet 2/11/0/12

[SXDZJ_S7712-GigabitEthernet2/11/0/12]eth-trunk 31

[SXDZJ_S7712-GigabitEthernet1/11/0/12]quit

（2）在上下行設備中，由于設備型號的不同，具有不同的鏈路聚合配置方法。以下行匯聚交換機為例，其配置方法為先創建鏈路聚合組，再加入成員接口。示例如下：

system-view

Enter system view, return user view with Ctrl+Z.

[SXDZJ_HUIJU]link-aggregation group 1 mode manual

[SXDZJ_HUIJU]interface GigabitEthernet 1/1/1

[SXDZJ_HUIJU-GigabitEthernet1/1/1]port link-aggregation group 1

[SXDZJ_HUIJU-GigabitEthernet1/1/1]quit

[SXDZJ_HUIJU]interface GigabitEthernet 2/1/1

[SXDZJ_HUIJU-GigabitEthernet2/1/1]port link-aggregation group 1

[SXDZJ_HUIJU-GigabitEthernet2/1/1]quit

經上述改造后，完成了地震核心網的改造升級。圖8為改造升級完成后的網絡拓撲圖。

4 應用CSS集群技術后的網絡優勢

4.1 網絡結構更為簡單

基于CSS技術的“多虛一”理念，改造升級后的2臺核心交換呈現為1臺設備，其形成的虛擬設備中各種控制協議也作為單一設備統一運行，路由協議也會統一計算（吳永娟等，2012；趙銳等，2014；David Newman，2008）。而原來組網中需要通過設備間協議交互實現的功能，如通過MSTP、VRRP等協議實現的鏈路冗余、網關備份等，也在虛擬設備中直接實現，無需此類協議的支持，省去了設備間大量協議報文的交互，簡化了網絡運行，將網絡動蕩時的收斂時間從秒級縮短至毫秒級。

4.2 網絡更為安全可靠

網絡的高可靠性一方面體現為單個網絡設備的高可靠性；另一方面更體現在整網的可靠性上，即通過網絡架構來保證整個網絡的可靠性（王東洋，2012）。通過實施核心交換設備的升級，排除了原交換機老化帶來的故障隱患，從設備層面提升了網絡的可靠性。而CSS集群技術的應用，實現了數據通過主控的交換網直接出集群口，很好地保證了整網的可靠性。

4.3 網絡更為高效靈活

CSS集群技術克服了業界普遍采用的線卡集群跨框多次交換，交換效率低下的架構難題，實現了跨框一次交換，大幅度提升了交換效率。同時通過與上下行設備之間的跨框鏈路聚合，擴大了匯聚層和接入層到核心層的網絡帶寬，實現了鏈路的負載分擔，保障了任何一條鏈路中斷，都不會導致端口的中斷（虞紅芳等，2014），也不會引起OSPF的重新收斂，保證了OSPF協議的穩定運行，消除了單點故障，提高了鏈路的利用率。

4.4 網絡更加易于管理

實現CSS集群后的2臺核心交換共用一個IP，同用一套配置，可通過任意成員設備的任意端口登錄系統，對系統內所有成員設備進行統一管理，簡化了日常管理維護的內容，同時也更便于日后的網絡調整與擴展（司桂榮等，2014；肖磊，2010）。

4.5 網絡優勢在業務應用中的體現

CSS集群技術的應用及全網路由的梳理變更，為日常業務帶來的直觀優勢為：一是更為快速高效的數據傳輸；二是更為簡單穩定的網絡路由；三是更為安全可靠的信息服務。以到國家臺網中心的路由及到一個測震臺站的ping包延時為例，改造升級前后的對比結果如圖9所示。

5 結束語

地震業務的正常運轉對社會公眾而言至關重要，而地震網絡系統作為其基礎支撐，應具備安全穩定、高效等性能。在本次地震核心網改造升級中，合理應用了CSS集群技術，簡化了網絡結構，提升了網絡的運行效率、安全性和可靠性，整個系統易擴展，方便管理。系統自投入使用以來功能完善，運行穩定，為地震系統各類業務的有效運轉提供了良好的網絡保障。

司桂榮，張藝弛，宗國升等，2014. 基于三層交換技術的虛擬局域網規劃設計. 內蒙古師范大學學報：自然科學版，43（1）：101—105.

王東洋，2012. 基于虛擬設備的虛擬交換機設計. 軟件，33（1）：42—45.

吳永娟，王振華，黃小紅，2012. 數據中心的網絡虛擬化方案研究. 廣西大學學報：自然科學版，37（6）：1193—1198.

肖磊，2010. 云計算時代，以太網交換機將何去何從．郵電設計技術，（4）：5—7.

虞紅芳，李樂民，2014. 網絡以及功能虛擬化——網絡虛擬化的過去、現在和未來. 中興通訊技術，20（3）：2—7.

張營，邢建臣，2011. 網絡虛擬化技術在電力綜合信息網中的應用. 電力信息化，9（7）：58—62.

趙軍，王松，張蕾，2009. 地震系統行業網Ospf路由過濾. 地震研究，32（4）：426—430.

趙銳，董喜明，甘?；鄣?，2014. 交換平臺中N:1虛擬化的同步機制實現. 光通信研究，40（5）：26—29.

David Newman, 2008. Double your networking pleasure: Cisco’s virtual switching．Network World, (1): 251—251.

Application of Cluster Switch System Technology in Seismic Core Network

Chang Jun and Li Ruihua

(Earthquake Administration of Shaanxi Province, Xi’an 710068, China)

With the development of network virtualization technology, as well as expansion of business in seismic system, the performance of original core network of Earthquake Administration of Shaanxi Province has gradually difficult to meet the demand. To guarantee reliable and efficient operation of seismic system network, and to meet the needs of zero interruption, a new generation of Cluster Switch system technology, and a method of an intermediate device to temporarily take are used in smoothly upgrading the seismic core network. By upgrading, the network structure has been simplified, and the network performance has been improved.

Cluster switch system; Network virtualization; Seismic core network

陜西省地震局啟航與創新基金“前兆數據連續性及穩定性量化評價研究”資助

2014-12-15

?？?，女，生于1983年。碩士，工程師。長期從事網絡運維管理與數據庫建設維護等工作。E-mail：cjjy1983@163.com