基于“集群+堆叠”无环网络的设计与研究

张伟伟

（安徽财贸职业学院，安徽 合肥 230601）

基于“集群+堆叠”无环网络的设计与研究

张伟伟

（安徽财贸职业学院，安徽 合肥 230601）

传统的网络三层架构，网络配置复杂、横向网络数据交换的环路特性降低了网络传输性能。立足于现行的网络拓扑平台，将现有网络同层结构中的交换单元配置集群与堆叠，运用网络虚拟化技术将多台物理设备逻辑上整合成一个数据交换模块，网络整体逻辑拓扑中展现成大二层架构模型，既能提高数据传送效率，避免网络环路，增强数据传送安全性，又能简化网络配置。

STP；集群；堆叠；虚拟交换技术；SDN

1 引言

在互联网发展的新业态下，互联网思维模式演进和催生了新的社会经济发展方向。依托先进的通信技术手段以及发达的网络互联平台，发挥互联网络在社会资源配置、优化和集成作用，创建、创新互联网络与传统行业的深度融合，推进社会经济势力稳步提升。伴随无所不在的网络、数据、计算的知识社会的来临，对网络数据传输与处理实时、快捷、安全、管理提出更新更高的要求。高校网络用户众多，网络应用与需求迫切，充分发挥网络资源优势，既能提升师生网络用户的上网体验，也能增强整个学校的核心竞争力。

2 传统的STP（Spanning Tree Protocol）网络[1]

STP(Spanning Tree Protocol)网络方案是基于树型结构的网络拓扑结构[2]，可以有效地避免因网络中单点故障而引发的网络灾难，并通过阻塞环路中的某条链路来实现二层数据帧的无环转发。相对于现代网络中很多应用其对中断时间极为敏感，而且带宽极大，这种传统的可靠性方案已经不适用于现代网络。

2.1 网络拓扑变化时，收敛速度慢

传统的STP技术收敛速度慢，在故障发生时，故障收敛时间大于10秒；虽然采用RSPT（Rapid Spanning Tree Protocol）进行优化，但收敛时间仍然是秒级，面对速度要求相对较高的网络，会致使秒级的业务中断，无法适应现在的很多网络应用。

2.2 链路阻塞时，信道利用率低

在网络实际运行中，若上行链路被阻塞，此链路的带宽将无法利用，总带宽利用率只有50%；虽然MSTP（Multi-Service Transmission Platform）基于VLaN进行优化，但使用MSTP又会导致配置复杂，日常维护非常困难。

2.3 配置维护复杂，网络故障率高

在STP网络拓扑中，STP协议运行于汇聚层和接入层中每台的交换机之中，随着接入交换层用户的数量增加，交换设备因之增加，众多交换机在处理各自的STP协议时，也变得越来越复杂，导致整体网络配置维护量激增，网络可靠性下降。

此外，基于STP网络拓扑结构方案中还有双工不匹配、不支持负载均衡等缺陷，将现行网络结构加以物理上和逻辑上再规划，采用“集群+堆叠”的无环网络方案，可有效应对网络从接入层到汇聚层结构相对复杂的特性，实现有线无线一体化管理，建立扁平化网络，提升整体网络的可靠性、使用性和管理性。

3“集群+堆叠”的无环网络

传统的园区网络多采用树状三层结构，即核心层（网络的高速交换主干）、汇聚层（提供基于策略的连接）、接入层（将工作站接入网络），其中核心/汇聚层多采用横向集群，接入交换机数量庞大。在纵向设计的三层网络架构中，横向网络的数据传送会因经过许多不必要的传输节点而造成瓶颈，导致明显的性能衰减。

因此，将现有的“核心-汇聚-接入”的三层网络拓扑，通过虚拟化技术（SVF、IRF[3]、TRILL[4]、EVI、Fabricpath等），将整个网络的架构虚拟成一台逻辑设备，采用扁平化的大二层网络，简化网络结构。同时采用集群、堆叠、网络纵向虚拟化等技术，既增强了网络的可靠性，又成功消除了网络环路，从而减轻了日常网络维护的工作负荷，简化了多协议工作模式下的网络配置，降低了网络运行处理难度，提升了网络可靠性。

3.1 网络整体规划

在网络大二层结构[3]中，逻辑上采用扁平化二层设计，物理架构中仍然运用层次功能明晰、架构稳定、易于扩充和维护的层次化模型。核心层和汇聚层中的核心交换机与汇聚交换机分别采用集群交换技术配置成交换机集群，从逻辑上虚拟化为一台逻辑交换机；接入层中的交换机通过专用电缆连接，配置交换机堆叠，将接入层应用了堆叠技术后的两台甚至多台交换设备组成逻辑上一台交换设备。接入层和汇聚层交换机之间，采用多条链路聚合捆绑来传输数据。如图1所示。

图1 集群+堆叠无环网络拓扑图

3.1.1 核心层部署

核心层配置两台高带宽、高转发性能的核心交换设备，连接所有汇聚层交换机。层内部采用全连接模式，支撑内外部的数据交换。核心交换设备间采用集群配置，将两台核心交换设备整合成一台交换机。如采用HW CSS2（Cluster Switch System）技术可支持主控的1+N备份功能，集群系统中只要保证任一主控设备运行正常，即可稳定运行。

3.1.2 汇聚层部署

汇聚层是将大量用户接入数据汇集单元，是用来转发本区域用户数据到其他区域用户的横向数据流，同时肩负着与核心层与接入层的数据纵向传递。因此，将汇聚层区域内的多台交换机也配置集群（如采用HW CSS技术等），逻辑上虚拟成一台交换设备。同时，利用多条链路捆绑，实现在核心层与汇聚层间的数据纵向交换，如此可发挥高带宽、高端口密度、高转发性能的特点，也能够有效支撑汇聚层之下的各业务数据交换，既简化了配置管理，又提高了网络的可靠性与可扩展能力。

3.1.3 接入层部署

接入层是临近用户终端的网络，部署二层交换设备，设备间通过专用电缆配置实现堆叠，多台交换设备逻辑应用为一台虚拟交换机，实现高速率的转发。

3.2 网络架构优势

传统网络三层结构演进为大二层网络架构，在物理拓扑结构上无需太大变化，仅需要在交换设备与逻辑结构上重新规划。与传统网络结构相比，消除了环状传输的先天缺陷，在数据传输质量、传输效率与管理配置等方面优势明显。

3.2.1 数据传输的高可靠性

采用交换网硬件通道互联，集群系统的控制报文和数据报文不需要经由业务交换单元转发，而是直接通过一次转发，减少了软件故障可能带来的干扰，降低了交换板卡故障带来的风险。

网络结构中的所采用的主控备份支持，集群系统中只要保证任意一框的一个主控单元运行正常，多框业务即可稳定运行。相对于传统业务口集群系统，每框至少要有一块主控单元运行正常的限制，进一步提高了集群系统的可靠性。集群系统的控制报文和数据报文走独立的通道，即使所有交换网间链路均发生故障，控制报文也可通过主控单元之间的控制通道在设备间互通，集群系统不会分裂。

堆叠系统的成员设备之间采用冗余备份机制；运用跨设备的链路聚合功能，实现跨设备的链路冗余备份。

3.2.2 简化网络配置和管理

交换机集群或堆叠形成后，两台物理交换机虚拟成为一台逻辑交换机，用户可以通过任何一台成员设备登录堆叠系统，对堆叠系统所有成员设备进行统一配置和管理。使得逻辑网络也变得简洁，不再需要配置和维护负责的STP等协议。

3.2.3 收敛时间短

采用集群与堆叠的大二层设计，网络设备虚拟成各逻辑交换机，在网络物理结构因链路、设备等发生故障或增减时，由于网络虚拟配置的统一化，物理设备只虚拟为一块板卡或一个端口，因而设备链路故障收敛时间会大大缩短，同时，也降低了网络链路、节点的故障对业务的影响。

3.2.4 带宽利用率高

在VLaN规划中，依据业务类型的不同，将物理LaN在逻辑上划分成多个广播通信域，如Voice VLaN、Guest VLaN、Multicast VLaN等，相互通信的VLaN之间采用链路Trunk的方式连接。当数据交换频繁时，可有效地将带宽利用率提升至100%。

3.2.5 网络架构扩展性强

随着网络应用的有线、无线不断全面覆盖，用户接入节点数量增加，当需进行网络系统升级与改造时，无需更改网络的整体复杂配置，而只需要在相应接入点挂接新设备。网络拓展性好。

4 网络控制机制向SDN（Software Defined Network）[5]网络平滑演进

在传统三层结构的网络中，由于架构本身以及环路等因素，网络虚拟化技术应用相对狭窄，依托于大二层网络，可以有效地支撑虚拟化条件下的大范围二层扩散性计算。“集群+堆叠”的无环网络不改变现有网络拓扑，避免了传统网络的环路特性，提高了横向数据传递效率，同时网络虚拟化技术的运用，使得网络逻辑上呈现为大二层结构拓扑。

软件定义网络SDN是Emulex网络一种新型网络创新架构，运用网络虚拟化技术将网络设备控制与数据转发分离，实现网络的灵活控制与智能[6]。在SDN网络架构中，将网络中各物理交换实体抽象成编程对象，使整个网络进行虚拟化，实现网络的物理拓扑与逻辑拓扑的分离。SDN网络一般采用大二层结构的网络结构，因此，在本案例的网络结构设计中，采用具备双平面功能的交换作为数据转发设备，即既具备传统网络控制功能，也具有支持SDN协议的可编程策略控制层面，两层控制功能独立部署，实现业务策略与拓扑解耦无关、实现全网批量部署与SDN网络的平滑过渡。

虽然，SDN网络架构尚处于不断、探索、进步与完善之中，但随着网络设备业务逻辑不断开放，将会给大数据时代带来无限的可能。

[1]吕俏，刘启文，石冰心．STP协议原理的算法与实现[J]．华中理工大学学报，2000，28(1)：65-67．

[2]杨家兴．新时期计算机网络通信现状及发展趋势研究[J]．信息安全与技术，2013，(3)：6-7．

[3]邓罡，龚正虎，王宏．现代数据中心网络特征研究[J]．计算机研究与发展，2014，51(2)：395-407．

[4]李丹，陈贵海，任丰原，等．数据中心网络的研究进展与趋势[J]．计算机学报，2014，37(2)：259-272．

[5]张朝昆，崔勇，唐翯祎，等．软件定义网络(SDN)研究进展木[J]．软件学报．015，26(1)：62-81．

[6]李贺武，赵洲洋，孙文琦，等．SDN+：基于SDN的未来无线网络系统架构和扩展[J]．邮电设计技术，2015，(10)：44-50．

Design and Research onacyclic Network Based on"Cluster+Stack"

Zhang Weiwei
(anhui Finance&Trade Vocational College,Hefei 230601,anhui)

In the traditional three-tier network,the characteristics of complex network configuration and horizontal network data exchange reduce the network transmission performance.Based on the topology platform of the current network,the switching units in the existing network layer are to be configured with stack and cluster;multiple physical devices are to be integrated into a data exchange module logically using virtualization technology;and the network logical topology is to be configured into two-layer architectural model.The design improves the data transfer efficiency,avoids network loops,enhances the security of data transmission,and also simplifies the network configuration.

STP;cluster;stack;virtual switching technology;SDN

TP393

a

1008-6609(2016)03-0035-03

张伟伟，男，安徽六安人，硕士，讲师，研究方向：计算机网络与软件开发。

安徽省省级质量工程教学研究项目，项目编号：2015jyxm628。