基于堆疊技術實現核心交換機冗余設計探究

朱新義

摘要：在互聯網網絡技術數據中心技術及網絡虛擬化技術持續發展與更新的背景下，網絡的工作模式發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，增加系統交換帶寬，另一方面通過一個控制平臺下發全局成員的配置，便于網絡的管理維護。在交換機堆疊相關性能指標中，最大可堆疊數是指一個獨立堆疊單元中可支持的組合交換機數量最大值，它代表一個堆疊系統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，為了提供網絡的可靠性，也可以組成環形堆疊;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網絡中。按交換機的業務層面來分，又分為控制面堆疊，即有系統主管理所有成員設備的加入、退出等;與控制面對應的是轉方面堆疊，由主設備管理各成員設備的轉發業務，如主設備進行轉發拓撲計算并下轉發表。通常說的堆疊是指轉方面與業務面都組成堆疊，堆疊管理鏈路與堆疊轉發鏈路可以合一，也可以分開。如果僅僅轉發面堆疊，控制面不堆疊，通常叫mlag。為了適應數據中心的組網拓撲，有演化出混堆，即spine-leaf模型，spine即父節點，可單臺，也可以多臺交換機組成堆疊，下掛leaf節點。

二、堆疊實現原理

先介紹幾個堆疊的背景知識，堆疊成員設備根據堆疊角色分為系統主，堆疊系統的管理者;系統備，系統主退出后升系統主;系統從，即成員設備，系統主設備與系統備設備都退出后，成員設備重啟。堆疊端口，很多廠商都實現了靈活堆疊，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。管理報文的優先級高于業務報文，所以就是出現廣播風暴，管理報文也不受影響，堆疊報文與業務報文一起轉發沒有可靠性問題。

以華為的數據中心交換機設備為例，介紹下交換機堆疊實的現原理。對于盒式備堆疊，管理通道與轉發通道是合一的，也就是說管理消息與業務流量承載在相同的鏈路上。堆疊建立過程與通常的網絡協議一樣，相鄰設備基于堆疊端口互發鏈路探測報文;探測到鏈路后再基于堆疊邏輯口互發鄰居發現報文;鄰居發現后再堆疊系統內部成員設備發送堆疊競爭報文，成員設備收到優先級高的競爭報文則自己停止發送競爭報文，最后只有系統主發送堆疊競爭報文;系統主再選一個成員設備作為系統備。

框式設備的堆疊又分為帶內堆疊與帶外堆疊。帶內堆疊就是管理報文承載在轉發通道，也就是管理通道與轉發通道合一，反之就是帶外堆疊。盒式設備都是帶內堆疊，框式設備由主控板、網板及轉發板等單板組成。主控板是整框的管理者，堆疊主要部署在主控板上。框式設備的帶內堆疊缺點多，如由于依賴業務板，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發通道分別建立堆疊，管理通道確定最終的成員設備信息，轉發通道要與管理通道保持一致。

為了適應數據中心的三級網絡模型，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。混堆建立的過程與堆疊類似，但是leaf設備不需要發送競爭報文。為了提高系統的可靠性，一臺設備故障了也不影響其他設備還能有堆疊的優點，就有了控制面不組建堆疊，僅僅轉發面組建堆疊mlag技術。

三、堆疊技術分析

堆疊技術的優點分析，不改變硬件的前提下實現擴容，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，一臺設備轉發帶寬1.44T，9機堆疊接近13T，具體還看網絡規劃中橫向流量大小，預留多少帶寬。框式設備支持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，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，增加系統延時，比如9機堆疊，即便環形堆疊，系統主將轉發表下發到最遠的成員設備上，要經過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，不同的業務特效耦合也很大，實現復雜，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，成員設備聯系不到系統主，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技術只對轉發面堆疊，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，并對各類故障狀態下核心交換機的冗余性能進行研究與分析。與傳統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，大幅度提升了數據吞吐量;堆疊系統共用一個控制面，通過一臺設備管理整個堆疊系統，配置是在堆疊系統內全局有效，大幅降低了設備的管理與運營成本。

參考文獻：

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