基于虛擬化技術(shù)提升網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性研究

張韜

關(guān)鍵詞：虛擬化技術(shù)；可靠性；成員設(shè)備；VSL 鏈路；雙主機(jī)檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TP393.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）10-0081-03

0 引言

在傳統(tǒng)園區(qū)網(wǎng)中，為了增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)可靠性，匯聚層交換機(jī)通常都要分別連接到各臺(tái)核心層交換機(jī)上，利用MSTP+VRRP的經(jīng)典組合技術(shù)來(lái)達(dá)到效果，但同時(shí)也會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大對(duì)高速訪問(wèn)的需求和管理水平也提出了新的挑戰(zhàn)，虛擬化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)能有效降低信息化技術(shù)的成本，多角度全方位提升系統(tǒng)的可靠性、安全性[1]，這樣不僅能夠充分挖掘網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以達(dá)到更好的轉(zhuǎn)發(fā)效率和提升性能，而且方便統(tǒng)一管理。

1 VSU 技術(shù)概述

當(dāng)前在為了進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體可靠性和利用率的背景下，銳捷技術(shù)人員開(kāi)發(fā)出一種VSU技術(shù)。VSU技術(shù)本質(zhì)上是一種網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，是一種將多臺(tái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬成一臺(tái)設(shè)備來(lái)管理和使用的技術(shù)，相比互備或者熱備方案，它更具優(yōu)勢(shì)[2]，使用VSU 技術(shù)的交換機(jī)在邏輯上就相當(dāng)于一臺(tái)交換機(jī)，從而可以達(dá)到更優(yōu)的效果。VSU技術(shù)在接入層、匯聚層、核心層交換機(jī)，甚至是路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中都可以進(jìn)行使用，這樣可以解決數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模二層網(wǎng)絡(luò)和VLAN的延伸和虛擬機(jī)在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的大范圍遷移[3]，從而完成大二層、扁平化的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，如圖1所示。

相比傳統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，VSU技術(shù)還具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。使用網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)后，多臺(tái)交換機(jī)實(shí)際上組合成一臺(tái)虛擬交換機(jī)，其他交換機(jī)可以通過(guò)聚合鏈路與VSU交換機(jī)建立連接。因?yàn)椴辉俅嬖诃h(huán)路問(wèn)題，可以不需要開(kāi)啟生成樹(shù)協(xié)議，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)配置；在成員交換機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，也可以不用再依賴MSTP、VRRP等協(xié)議的收斂，提高了可靠性。同時(shí)，各種網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議在一臺(tái)設(shè)備上運(yùn)行，也會(huì)減少設(shè)備間大量協(xié)議報(bào)文的交互，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行性能得到了優(yōu)化。

2）簡(jiǎn)化管理。使用VSU技術(shù)構(gòu)成一臺(tái)虛擬化設(shè)備后，管理人員之后只需要登錄其中的一臺(tái)交換機(jī)即可進(jìn)行統(tǒng)一管理，而不再需要單獨(dú)登錄到每臺(tái)交換機(jī)中進(jìn)行配置和管理。

3）擴(kuò)展交換機(jī)端口數(shù)量和轉(zhuǎn)發(fā)能力。通過(guò)組成VSU虛擬化系統(tǒng)，可以提高用戶接入的交換機(jī)端口數(shù)量和提升網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體轉(zhuǎn)發(fā)能力。

4）提升帶寬和系統(tǒng)可靠性。當(dāng)VSU交換機(jī)和其他交換機(jī)通過(guò)聚合鏈路連接后，既可以增加到達(dá)其他交換機(jī)的帶寬，又能提供鏈路間的冗余性和負(fù)載均衡。如果某條鏈路出現(xiàn)故障，系統(tǒng)切換到另一條鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)間將為毫秒級(jí)，線路恢復(fù)時(shí)間將大為縮短。

2 VSU 技術(shù)原理

2.1 VSU 組成

1）域編號(hào)

域編號(hào)用于區(qū)分不同VSU系統(tǒng)，它是VSU系統(tǒng)的標(biāo)識(shí)符，只有擁有相同域編號(hào)的設(shè)備才能形成同一個(gè)VSU系統(tǒng)。

2）設(shè)備編號(hào)

設(shè)備編號(hào)是每臺(tái)成員設(shè)備在虛擬化系統(tǒng)中的編號(hào)，用來(lái)管理VSU中各成員設(shè)備以及配置成員設(shè)備上的接口標(biāo)識(shí)等，必須保證成員設(shè)備編號(hào)在同一個(gè)VSU 系統(tǒng)中具有唯一性。

3）設(shè)備優(yōu)先級(jí)

優(yōu)先級(jí)是每臺(tái)成員設(shè)備在選舉過(guò)程中確定的角色，優(yōu)先級(jí)最高設(shè)備為主設(shè)備。

4）設(shè)備角色

虛擬化系統(tǒng)由多臺(tái)物理設(shè)備組成，成員設(shè)備通過(guò)選舉機(jī)制，選擇出一臺(tái)主設(shè)備（Active）和一臺(tái)從設(shè)備（Standby），其余設(shè)備都是候選設(shè)備（Candidate）。主設(shè)備負(fù)責(zé)管理整個(gè)虛擬化系統(tǒng)，運(yùn)行控制層面協(xié)議，并參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；而其他所有成員設(shè)備接收到的控制層面數(shù)據(jù)都將轉(zhuǎn)發(fā)給主設(shè)備進(jìn)行處理，不運(yùn)行控制層面協(xié)議，只參與數(shù)據(jù)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)；但從設(shè)備作為主設(shè)備的備用，也需要實(shí)時(shí)同步接收主設(shè)備狀態(tài)信息，從而達(dá)到同步熱備效果。當(dāng)主設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，從設(shè)備會(huì)自動(dòng)升級(jí)為主設(shè)備；當(dāng)從設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)從候選設(shè)備中選舉一個(gè)新的從設(shè)備。

2.2 VSL 鏈路

VSL虛擬交換鏈路是VSU系統(tǒng)中最為核心的技術(shù)之一[4]，它是VSU系統(tǒng)中各成員設(shè)備間傳輸控制信息和數(shù)據(jù)流的核心鏈路，它對(duì)應(yīng)連接的物理端口為VSL成員端口，以太網(wǎng)接口、光口或者堆疊端口都可以作為VSL成員端口，但是否各種端口都支持要看設(shè)備具體型號(hào)。一般情況下，VSL鏈路是以聚合鏈路形式存在，并根據(jù)流量平衡算法在聚合組的各個(gè)成員之間進(jìn)行負(fù)載均衡。為了降低控制報(bào)文丟失的可能性，在VSL鏈路上，控制報(bào)文優(yōu)先級(jí)高于數(shù)據(jù)報(bào)文，會(huì)優(yōu)先傳輸。

2.3 VSU 報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)原理

VSU采用分布式轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)，充分發(fā)揮每個(gè)成員設(shè)備的處理能力。當(dāng)VSU系統(tǒng)中的每個(gè)成員設(shè)備收到待轉(zhuǎn)發(fā)的報(bào)文時(shí)，通過(guò)查詢本機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)表將報(bào)文從對(duì)應(yīng)成員設(shè)備上的某個(gè)接口發(fā)出去，VSU 系統(tǒng)中所有接口都可以作為出接口。而對(duì)于三層數(shù)據(jù)報(bào)文來(lái)說(shuō)，不管它在VSU系統(tǒng)內(nèi)部傳輸時(shí)經(jīng)過(guò)多少成員設(shè)備，實(shí)際上只相當(dāng)于經(jīng)過(guò)了一個(gè)三層設(shè)備。

3 VSU 組網(wǎng)拓?fù)浼夹g(shù)

3.1 VSU 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

VSU系統(tǒng)支持“線形”和“環(huán)形”兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接簡(jiǎn)單，使用接口和線纜較少，但可靠性較低；環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間有兩條VSL鏈路，形成鏈路冗余，提高了VSU系統(tǒng)的可靠性。一般在選擇VSU系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)盡量選擇環(huán)形拓?fù)?，因?yàn)楫?dāng)環(huán)形拓?fù)渲腥魏螁闻_(tái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或者某條VSL聚合鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲皇菑沫h(huán)形變?yōu)榫€形，不會(huì)導(dǎo)致VSU系統(tǒng)的分裂，數(shù)據(jù)傳輸也不會(huì)受到影響，而線形結(jié)構(gòu)則會(huì)引起VSU系統(tǒng)分裂。

3.2 拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)

VSU系統(tǒng)中的每臺(tái)成員設(shè)備之間都是通過(guò)交換Hello報(bào)文來(lái)收集所有拓?fù)湫畔?，Hello報(bào)文會(huì)攜帶每臺(tái)設(shè)備的優(yōu)先級(jí)等一系列拓?fù)湫畔5]。每個(gè)成員會(huì)在狀態(tài)為UP的VSL接口上向虛擬化系統(tǒng)中的其他成員設(shè)備洪泛Hello報(bào)文，其他成員收到報(bào)文后，會(huì)將報(bào)文從狀態(tài)為UP的非入口的其他VSL接口再轉(zhuǎn)發(fā)出去。通過(guò)Hello報(bào)文的洪泛，每個(gè)成員設(shè)備可以逐一學(xué)習(xí)到整個(gè)拓?fù)湫畔?，?dāng)設(shè)備收集完拓?fù)湫畔⒑螅烷_(kāi)始進(jìn)行角色選舉。在角色選舉階段，所有的設(shè)備根據(jù)Active角色的選舉規(guī)則從拓?fù)渲羞x舉出Active；被選為Active的設(shè)備從剩下設(shè)備中選出Standby。選舉完成后，Active設(shè)備向整個(gè)拓?fù)浒l(fā)送Convergence報(bào)文，通知所有設(shè)備一起進(jìn)行拓?fù)涫諗?，然后VSU系統(tǒng)進(jìn)入管理與維護(hù)階段。

4 VSU 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

文章以兩臺(tái)銳捷S5750-24GT4XS-L千兆交換機(jī)組建VSU系統(tǒng)為例進(jìn)行介紹和實(shí)施。

SW1（config）#switch virtual domain 1

//定義當(dāng)前VSU系統(tǒng)的域編號(hào)為1，取值范圍是1 到255，缺省是100

SW1（config-vs-domain）#switch 1

//定義當(dāng)前交換機(jī)在VSU系統(tǒng)中的成員編號(hào)是1

SW1（config-vs-domain）#switch 1 priority 200

//定義當(dāng)前交換機(jī)的優(yōu)先級(jí)是200，確保在VSU 系統(tǒng)中為active，缺省為100

SW1（config）#vsl-port

//VSL鏈路一般至少需要2條，一條鏈路的可靠性會(huì)較低，當(dāng)出現(xiàn)鏈路震蕩時(shí)，VSU系統(tǒng)會(huì)非常不穩(wěn)定

SW1（config-vsl-port）#port-member int tenGi 0/27

SW1（config-vsl-port）#port-member int tenGi 0/28

//利用交換機(jī)27和28號(hào)接口，配置兩條VSL鏈路

SW2（config）#switch virtual domain 1

SW2（config-vs-domain）#switch 2 //定義在VSU 系統(tǒng)中的成員編號(hào)是2

SW2（config-vs-domain）#switch 2 priority 160

//定義當(dāng)前交換機(jī)的優(yōu)先級(jí)是160，確保在VSU 系統(tǒng)中為standby

和SW1一樣，把SW2上的tenGi 0/27和28號(hào)接口也加到VSL鏈路中。連接好VSL鏈路后，根據(jù)需要，可以先保存兩臺(tái)設(shè)備之前的配置，再一起切換為VSU模式。

SW1#switch convert mode virtual

Convert mode will backup and delete config file，and reload the switch. Are you sure to continue[yes/no]：y

設(shè)備重新啟動(dòng)后會(huì)自行組建VSU系統(tǒng)。組建完成后，VSU的管理之后也只能在其中的主設(shè)備上進(jìn)行，其他設(shè)備Console口默認(rèn)不能再進(jìn)行管理。同時(shí)，交換機(jī)接口編號(hào)也從二維模式變?yōu)槿S模式，第一維表示VSU系統(tǒng)中成員交換機(jī)編號(hào)。在主設(shè)備上使用show switch virtual role命令可以查看到當(dāng)前S1為AC?TIVE角色，SW2為STANDBY角色等系統(tǒng)中各成員設(shè)備的有關(guān)信息。

5 雙主機(jī)檢測(cè)

VSL鏈路斷開(kāi)后，會(huì)產(chǎn)生VSU系統(tǒng)分裂，導(dǎo)致AC?TIVE設(shè)備和STANDBY設(shè)備分到不同的VSU系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)上就會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)配置相同的VSU系統(tǒng)，且兩臺(tái)設(shè)備都為主設(shè)備角色，這時(shí)兩個(gè)VSU系統(tǒng)中任何一個(gè)虛擬接口的配置相同，就會(huì)出現(xiàn)IP地址沖突等許多嚴(yán)重問(wèn)題，因此必須進(jìn)行雙主機(jī)檢測(cè)。

為了解決這些問(wèn)題，需要在各臺(tái)交換機(jī)之間建立一條雙主機(jī)檢測(cè)鏈路機(jī)制，保證網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)仍然可用。當(dāng)VSL鏈路斷開(kāi)時(shí)，兩臺(tái)交換機(jī)開(kāi)始通過(guò)雙主機(jī)檢測(cè)鏈路發(fā)送檢測(cè)報(bào)文，當(dāng)收到對(duì)端發(fā)來(lái)的雙主機(jī)檢測(cè)報(bào)文時(shí)，就說(shuō)明對(duì)端仍在正常運(yùn)行，存在兩個(gè)系統(tǒng)，最后通過(guò)一定的規(guī)則，關(guān)閉其中一臺(tái)主機(jī)所在的VSU系統(tǒng)，使其進(jìn)入Recover狀態(tài)。目前雙主機(jī)檢測(cè)有BFD 和聚合口兩種方式。

1）基于BFD檢測(cè)。在雙主機(jī)之間再建立一條物理鏈路，即心跳線，BFD的雙主機(jī)檢測(cè)端口必須是三層路由口，二層口或SVI口都不能作為BFD的檢測(cè)端口。BFD檢測(cè)采用擴(kuò)展BFD技術(shù)，不能通過(guò)現(xiàn)有BFD 配置雙主機(jī)檢測(cè)口，同時(shí)為了減少帶寬資源的浪費(fèi)，建議心跳線的檢測(cè)接口盡量使用帶寬速率低的接口，如圖2所示。

ZDXY（config）#interface gigabitEthernet 1/0/24

ZDXY（config-if-GigabitEthernet 1/0/24）#no switch port

//檢測(cè)端口不需要設(shè)置IP地址，但必須為三層物理接口

ZDXY（config）#interface gigabitEthernet 2/0/24

ZDXY（config-if-GigabitEthernet 2/0/24）#no switch port

ZDXY（config）#switch virtual domain 1

ZDXY（config-vs-domain）#dual-active detectionbfd//使用BFD檢測(cè)方式

ZDXY（config-vs-domain）#dual-active bfd interface gigabitEthernet 1/0/24

ZDXY（config-vs-domain）#dual-active bfd interface gigabitEthernet 2/0/24

//設(shè)置1/0/24和2/0/24為BFD雙主機(jī)檢測(cè)接口

2）基于聚合口檢測(cè)。當(dāng)VSL鏈路斷開(kāi)后產(chǎn)生雙主機(jī)時(shí)，兩個(gè)系統(tǒng)之間相互發(fā)送聚合口私有報(bào)文來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，并且要配置在交換機(jī)聚合端口上，而且上聯(lián)設(shè)備也要能轉(zhuǎn)發(fā)私有檢測(cè)報(bào)文，如圖3所示。

ZDXY（config）#interface range gi 1/0/24，gi 2/0/24

ZDXY（config-if-range）#port-group 1

ZDXY（config）#switch virtual domain 1

ZDXY（config-vs-domain）#dual-active detection ag?gregateport

//使用聚合口檢測(cè)方式

ZDXY（config-vs-domain）#dual-active interface ag?gregatePort 1

在上聯(lián)交換機(jī)ZDXY_UP 上開(kāi)啟相應(yīng)聚合口MAD功能

ZDXY_UP（config-if-AggregatePort 1）#dad relay enable

3）例外接口。當(dāng)檢測(cè)到雙主機(jī)系統(tǒng)后，其中一臺(tái)主機(jī)會(huì)進(jìn)入recovery模式，所有成員業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)會(huì)關(guān)閉。為了保留某些特殊用途業(yè)務(wù)接口可以使用，如Telnet，可以將某些接口配置為不關(guān)閉的例外接口，但例外接口必須是路由接口，不能是VSL接口。

ZDXY（config-vs-domain）#dual-active exclude in?terface gi1/0/23 //例外口

6 結(jié)束語(yǔ)

交換機(jī)虛擬化技術(shù)可以大大降低網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)管理復(fù)雜度，增加網(wǎng)絡(luò)的整體性能，提高網(wǎng)絡(luò)帶寬的資源利用率。目前，主流網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供商都提供了相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)虛擬化技術(shù)，除了銳捷的VSU技術(shù)外，還有華為的CSS技術(shù)、新華三的IRF技術(shù)等。未來(lái)隨著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求的不斷擴(kuò)大和變化，虛擬化技術(shù)將會(huì)得到更為廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。