基于環(huán)型冗余結(jié)構(gòu)的交換機(jī)集群的應(yīng)用及其價值初探

一、概述

隨著廣西電視我臺網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的不斷擴(kuò)大龐大，針對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的管理、維護(hù)也越來越復(fù)雜化。如何經(jīng)濟(jì)有效地的提升網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全性和性能，簡化網(wǎng)絡(luò)管理操作是我們一直不斷研究的一個課題。經(jīng)過研究，我們發(fā)現(xiàn)將多臺核心交換機(jī)首尾相連形成環(huán)型冗余結(jié)構(gòu)并對其進(jìn)行相應(yīng)配置，能夠很好地的提升我們網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性和擴(kuò)展能力，并有效地的提高了網(wǎng)絡(luò)核心層的數(shù)據(jù)交換帶寬。

一、二、系統(tǒng)原理

基于環(huán)型冗余結(jié)構(gòu)的交換機(jī)集群的設(shè)計理念，是將多臺核心交換機(jī)通過物理接口頭尾順序連鏈接，形成環(huán)狀的冗余結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行一定的配置之后，這個交換機(jī)集群將虛擬化成為一臺邏輯上的計算機(jī)，實現(xiàn)多臺核心交換機(jī)的并行運行、統(tǒng)一管理和無縫維護(hù)。

基于環(huán)型冗余結(jié)構(gòu)的交換機(jī)集群主要具有以下優(yōu)點：

1.1.簡化管理

：基于環(huán)型冗余結(jié)構(gòu)的交換機(jī)集群運行之后，管理員通過任意一臺核心交換機(jī)的接口都可以登錄交換機(jī)集群，對交換機(jī)集群內(nèi)所有成員設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理。

2.2.高可靠性

：交換機(jī)集群的高可靠性體現(xiàn)在多個方面，例如：交換機(jī)集群由多臺核心交換機(jī)組成，主核心交換機(jī)負(fù)責(zé)整個集群的運行、管理以及維護(hù)，從核心交換機(jī)既是主交換機(jī)的備份又可以并行處理業(yè)務(wù)。當(dāng)主核心交換機(jī)故障，操作系統(tǒng)將組織所有的從核心交換機(jī)進(jìn)行新的主核心交換機(jī)的選舉，保障業(yè)務(wù)不會受到影響。

3.3.較強(qiáng)的系統(tǒng)擴(kuò)展性能

：通過不斷地的增加核心交換機(jī)，即可實現(xiàn)對交換機(jī)集群的規(guī)模和性能上的拓展。因為每個核心交換機(jī)都擁有獨立的中央處理器，可以獨立地的對報文進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)發(fā)，所以基于環(huán)型冗余結(jié)構(gòu)的交換機(jī)集群也可以不斷地的擴(kuò)展報文處理能力。

二三、工作流程

如下圖1（這種情況，要改為如圖1所示。因為排版的時候，不保證圖剛好在這段文字下面，所以要以標(biāo)序號方式表達(dá)。）所示，集群系統(tǒng)的建立將經(jīng)歷物理鏈接、拓?fù)涫諗?、主交換機(jī)選舉、集群系統(tǒng)的運維四個階段。核心交換機(jī)之間要先進(jìn)行物理鏈接，然后將進(jìn)行拓?fù)涫諗亢椭鹘粨Q機(jī)選舉，完成集群系統(tǒng)的建立，此后進(jìn)入系統(tǒng)的運維階段。

圖1 工作流程

圖1 工作流程

    1.物理鏈接

    核心交換機(jī)之間的鏈接通過物理接口的鏈接而成的。一個設(shè)備物理端口可以對應(yīng)另一個設(shè)備的物理端口，也可以通過對應(yīng)兩個設(shè)備之間的多個物理端口來實現(xiàn)鏈路聚合端口，以達(dá)到鏈路備份和擴(kuò)展帶寬的效果。

如圖2所示，環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比鏈型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有更高的可靠性。當(dāng)鏈形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中出現(xiàn)鏈路故障時，會引起交換機(jī)集群分裂；而環(huán)形連接中某條鏈路故障時，會形成鏈形連接，交換機(jī)集群的業(yè)務(wù)不會受到影響。

圖2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.拓?fù)涫占?/p>

圖2 鏈型與環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.拓?fù)涫占?/p>

每臺核心交換機(jī)和鄰居核心交換機(jī)通過報文交互來交換機(jī)集群系統(tǒng)的拓?fù)涫諗?。每臺核心交換機(jī)發(fā)出的交互報文都帶有拓?fù)湫畔?，其中包括物理接口的?shù)量、屬性和連接關(guān)系、核心交換機(jī)的編號、核心交換機(jī)的優(yōu)先級、核心交換機(jī)的橋MAC等內(nèi)容。

    每臺核心交換機(jī)在啟動時記錄下本身的拓?fù)湫畔?，?dāng)任意一個物理接口啟用后，核心交換機(jī)從這個物理接口周期性的廣播已知的拓?fù)湫畔?；直接鄰居核心交換機(jī)收到拓?fù)湫畔⒑螅伦陨淼耐負(fù)湫畔⒈?；核心交換機(jī)之間經(jīng)過一段時間的報文交互，所有核心交換機(jī)的拓?fù)湫畔⒈矶紩兂梢粯拥?，這就是拓?fù)涫諗俊Ｍ負(fù)涫諗客瓿珊筮M(jìn)入主交換機(jī)選舉階段。

3.主交換機(jī)選舉

在所有核心交換機(jī)中選出一臺作為主核心交換機(jī)的過程稱之為主交換機(jī)選舉。主交換機(jī)選舉會在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化的情況下發(fā)生，比如交換機(jī)集群系統(tǒng)建立、有新的核心交換機(jī)接入、主核心交換機(jī)下線或者故障、二個或多個集群系統(tǒng)合并等等。主交換機(jī)選舉規(guī)則如下：

（1）當(dāng)前主交換機(jī)優(yōu)先（集群系統(tǒng)建立時，沒有主交換機(jī)，每個新接入的核心交換機(jī)都認(rèn)為自己是主交換機(jī)，此時按照第二條規(guī)則繼續(xù)進(jìn)行選舉）；

（2）核心交換機(jī)優(yōu)先級較大的優(yōu)先；

（3）交換機(jī)開機(jī)時間較長的優(yōu)先；

（4）橋MAC地址較小的優(yōu)先。

    從第一條規(guī)則開始進(jìn)行選舉，如果選舉結(jié)果不是唯一，則繼續(xù)按照下一條規(guī)則進(jìn)行選舉，直到選舉出唯一最優(yōu)的核心交換機(jī)為止。此唯一最優(yōu)的核心交換機(jī)即為主交換機(jī)，其它核心交換機(jī)則為從交換機(jī)。在主交換機(jī)選舉完畢后，交換機(jī)集群系統(tǒng)建立，進(jìn)入集群系統(tǒng)的運維階段。

4.集群系統(tǒng)的運維

    主交換機(jī)選舉完畢之后，集群系統(tǒng)形成，所有的核心交換機(jī)組成一臺虛擬交換機(jī)，所有核心交換機(jī)上的資源由該虛擬交換機(jī)進(jìn)行管理和維護(hù)。

    在集群系統(tǒng)正常運行時，集群系統(tǒng)使用交換機(jī)編號來標(biāo)識和管理核心交換機(jī)成員，并在交換機(jī)接口編號和操作系統(tǒng)中引入交換機(jī)編號的標(biāo)識數(shù)據(jù)。整個集群系統(tǒng)的管理和維護(hù)都依賴于此交換機(jī)編號，因此，管理員需要在核心交換機(jī)接入集群系統(tǒng)前進(jìn)行規(guī)劃、配置該交換機(jī)的編號，保證該交換機(jī)編號在集群系統(tǒng)中的唯一性。

    對于單獨運行的設(shè)備，接口編號采用設(shè)備編號/子槽位編號/接口序號的格式，其中：

    （1）缺省情況下，設(shè)備編號為1。

    （2）如果設(shè)備曾經(jīng)加入過交換機(jī)集群，則在退出交換機(jī)集群后，仍然會使用在交換機(jī)集群時的成員編號作為自身的設(shè)備編號。

    （3）子槽位編號：接口所在子槽位的編號。

    如果某成員設(shè)備A 故障或者物理鏈路故障，其鄰居設(shè)備會立即將“成員設(shè)備A離開”的信息廣播通知給交換機(jī)集群中的其它設(shè)備。 

五、結(jié)論

繼個人計算機(jī)變革、互聯(lián)網(wǎng)變革之后，云計算被看作第三次IT浪潮，是中國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，它將帶來生活、生產(chǎn)方式和商業(yè)模式的根本性改變。

虛擬化技術(shù)作為實現(xiàn)云計算的核心技術(shù)，成為當(dāng)下研究的熱點。我們通過研究、搭建與配置，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)核心交換層次的應(yīng)用與管理的虛擬化?；诃h(huán)型冗余結(jié)構(gòu)的交換機(jī)集群為我們的業(yè)務(wù)需求提供了更安全、可靠，性能更強(qiáng)的服務(wù)環(huán)境，為未來實現(xiàn)整體虛擬化云計算鋪設(shè)了堅實的基礎(chǔ)。我們相信只有不斷地的研究、實踐，不斷地的積累技術(shù)儲備，才能在一次又一次的技術(shù)革新中不掉隊。

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