王培英，肖志輝，李本源

（1．西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 成都 610031；2．邁普通信技術(shù)股份有限公司 成都 610041)

1 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)類型的不斷增多和用戶數(shù)的不斷增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)承載的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量越來越大。實(shí)時(shí)通信對(duì)服務(wù)質(zhì)量的要求也不斷提高，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的高可用性日益成為網(wǎng)絡(luò)使用者關(guān)注的焦點(diǎn)，因此如何提高網(wǎng)絡(luò)可用性是目前最熱門的話題之一。網(wǎng)絡(luò)的可用性可通過以下3種方法提高：

·增加網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械娜哂喙?jié)點(diǎn)和備份設(shè)計(jì)；

·增加網(wǎng)絡(luò)設(shè)備自身冗余部件和熱備份機(jī)制設(shè)計(jì)；

·增加網(wǎng)絡(luò)中傳輸線路備份設(shè)計(jì)。

目前，傳輸線路備份設(shè)計(jì)是提高網(wǎng)絡(luò)可用性的必備方法，其中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)為生成樹協(xié)議（STP）和鏈路聚合（link aggregation）。生成樹協(xié)議通過阻塞某些鏈路達(dá)到傳輸線路備份的目的，屬于鏈路間冗余設(shè)計(jì)；鏈路聚合通過聚合技術(shù)提供邏輯鏈路內(nèi)的冗余方案，不但沒有阻塞某些鏈路，而且擴(kuò)展了邏輯鏈路帶寬，已成為網(wǎng)絡(luò)部署者必采用的組網(wǎng)方案。

鏈路聚合技術(shù)的實(shí)質(zhì)是將兩臺(tái)設(shè)備間的多條物理鏈路組合成一條邏輯鏈路，稱為鏈路聚合組（link aggregation group，LAG），鏈路聚合組中的端口稱為成員端口。

鏈路聚合組分為靜態(tài)聚合組和動(dòng)態(tài)聚合組。靜態(tài)聚合組內(nèi)的成員端口禁止啟動(dòng)LACP（link aggregation control protocol，鏈路聚合控制協(xié)議），因此不與對(duì)端交互LACPDU（link aggregationcontrol dataunit，鏈路聚合控制協(xié)議數(shù)據(jù)單元）；動(dòng)態(tài)聚合組內(nèi)的成員端口啟動(dòng)LACP，與對(duì)方交互LACPDU。

目前，層次化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般分為核心層、匯聚層和接入層。網(wǎng)絡(luò)中主要存在兩種形態(tài)的交換機(jī)通信設(shè)備：盒式設(shè)備和框式分布式設(shè)備。由于框式分布式設(shè)備具有高性能、高端口密度的組件及高可用性，因此經(jīng)常被應(yīng)用于重要場(chǎng)合，如核心層、匯聚層。匯聚層與接入層之間的常見組網(wǎng)方式如圖1所示。

圖1 匯聚層與接入層之間的簡(jiǎn)化組網(wǎng)示意

因?yàn)樵黾泳W(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械娜哂喙?jié)點(diǎn)和備份設(shè)計(jì)可以提高網(wǎng)絡(luò)的可用性，所以在部署網(wǎng)絡(luò)環(huán)境時(shí)，通常在匯聚層部署兩臺(tái)交換機(jī)，兩臺(tái)交換機(jī)之間使用兩條物理鏈路相連，然后所有接入層交換機(jī)都通過兩條鏈路分別與匯聚層交換機(jī)相連。

當(dāng)采用這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行2層技術(shù)組網(wǎng)時(shí)，設(shè)計(jì)了一些冗余鏈路，雖然增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，但導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了環(huán)路，因此必須配置MSTP阻塞一些鏈路，達(dá)到消除環(huán)路的目的，這樣就導(dǎo)致這些阻塞鏈路的帶寬沒有被利用，從而造成帶寬資源的浪費(fèi)。在實(shí)際應(yīng)用中，MSTP往往由于設(shè)備故障或者鏈路中斷等原因發(fā)生拓?fù)湔鹗帲襇STP的收斂時(shí)間較長(zhǎng)，可能在收斂時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不能傳輸業(yè)務(wù)流量，從而影響網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。

當(dāng)采用這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行3層技術(shù)組網(wǎng)時(shí)，通常采用VRRP實(shí)現(xiàn)冗余備份。當(dāng)處于主控（master）狀態(tài)的交換機(jī)發(fā)生故障時(shí)，處于備份（slave）狀態(tài)的交換機(jī)將切換成主控狀態(tài)，切換時(shí)間一般為幾秒鐘，在故障恢復(fù)時(shí)間內(nèi)仍會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不能傳輸業(yè)務(wù)流量。同時(shí)VRRP會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸?fù)雜，給網(wǎng)絡(luò)維護(hù)者帶來管理困難等問題。

為了克服上述問題，近年來業(yè)界一些設(shè)備廠商提出了針對(duì)框式分布式設(shè)備應(yīng)用的虛擬交換技術(shù)（virtual switching technology，VST）。

2 虛擬交換技術(shù)

虛擬交換技術(shù)是一種基于內(nèi)部分布式交換網(wǎng)絡(luò)，把多臺(tái)物理設(shè)備虛擬為一臺(tái)虛擬設(shè)備的技術(shù)。如圖2所示，匯聚層的兩臺(tái)設(shè)備通過虛擬交換鏈路 （virtual switching link，VSL）連接，形成一個(gè)虛擬交換域（virtual switching domain,VSD），接入層的設(shè)備通過跨設(shè)備鏈路聚合，上聯(lián)到虛擬設(shè)備。

2.1 VST概述

虛擬設(shè)備內(nèi)的成員設(shè)備有兩種角色：主控設(shè)備負(fù)責(zé)整個(gè)虛擬設(shè)備的管理和控制，備份設(shè)備負(fù)責(zé)本地設(shè)備的基本硬件管理，并接受主控設(shè)備的管理和控制。虛擬設(shè)備內(nèi)每一個(gè)成員設(shè)備都需要一個(gè)成員編號(hào) （member ID）進(jìn)行唯一標(biāo)識(shí)。虛擬設(shè)備內(nèi)每個(gè)成員設(shè)備都有一個(gè)成員優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)越高（數(shù)值越大），當(dāng)選為主控設(shè)備的可能性越大。

圖2 虛擬化視圖

VSL是兩臺(tái)成員交換機(jī)之間，由一條或者多條物理鏈路聚合而成的邏輯鏈路。當(dāng)多臺(tái)設(shè)備通過VST形成一臺(tái)虛擬設(shè)備時(shí)，該虛擬設(shè)備根據(jù)選舉規(guī)則，先選舉出主控設(shè)備。主控設(shè)備使用自己的啟動(dòng)配置文件啟動(dòng)，啟動(dòng)完成后，將配置批量同步給所有備份設(shè)備，使主控設(shè)備完成初始化，至此，虛擬設(shè)備形成。

虛擬設(shè)備運(yùn)行過程中有新的成員設(shè)備加入時(shí)，虛擬設(shè)備也會(huì)將配置批量同步給新設(shè)備，新設(shè)備以同步過來的配置完成初始化，而不再讀取本地的啟動(dòng)配置文件[4]。

所有設(shè)備初始化完成后，虛擬設(shè)備作為一臺(tái)邏輯設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行。主控設(shè)備作為虛擬設(shè)備系統(tǒng)的管理中樞，負(fù)責(zé)響應(yīng)用戶的登錄需求，即用戶無論使用何種方式登錄虛擬設(shè)備中的成員設(shè)備，其實(shí)質(zhì)都是登錄到主控設(shè)備；對(duì)成員設(shè)備的配置，其實(shí)質(zhì)都是對(duì)主控設(shè)備進(jìn)行配置。主控設(shè)備負(fù)責(zé)將用戶的配置實(shí)時(shí)同步給虛擬設(shè)備內(nèi)的各個(gè)備份設(shè)備，使虛擬設(shè)備內(nèi)各成員設(shè)備的配置隨時(shí)保持高度一致性[4]。

VST因具有以下優(yōu)勢(shì)而逐漸被廣泛使用。

（1）高可靠性

虛擬設(shè)備的成員設(shè)備間采用VSL聚合相連，接入層設(shè)備通過跨設(shè)備鏈路聚合與虛擬設(shè)備相連，既提供了冗余鏈路，又實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡，充分利用所有帶寬。

（2）簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

通過VST形成的虛擬設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中相當(dāng)于一臺(tái)設(shè)備，該虛擬設(shè)備通過跨設(shè)備鏈路聚合與下聯(lián)設(shè)備相連，由于不存在環(huán)路，所以無需配置MSTP和VRRP。各種控制層協(xié)議運(yùn)行在一臺(tái)虛擬設(shè)備上，減少了設(shè)備間大量協(xié)議報(bào)文的交互，縮短了路由收斂時(shí)間。

（3）簡(jiǎn)化管理

兩臺(tái)或者多臺(tái)設(shè)備形成一臺(tái)虛擬設(shè)備后，管理員可以對(duì)多臺(tái)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理，即管理員登錄虛擬設(shè)備內(nèi)的任意一臺(tái)成員設(shè)備，即可對(duì)虛擬設(shè)備中的多臺(tái)設(shè)備進(jìn)行配置和管理。

2.2 VST分裂和多激活

當(dāng)虛擬設(shè)備內(nèi)的VSL鏈路出現(xiàn)故障，導(dǎo)致兩個(gè)相鄰成員設(shè)備在物理上不連通時(shí)，一個(gè)虛擬設(shè)備變?yōu)閮蓚€(gè)虛擬設(shè)備，這個(gè)過程稱為VST分裂。

由于虛擬設(shè)備中各成員設(shè)備的配置信息實(shí)時(shí)高度一致，因此網(wǎng)絡(luò)中將會(huì)出現(xiàn)配置完全相同的兩臺(tái)設(shè)備，這將導(dǎo)致業(yè)務(wù)流量無法正確轉(zhuǎn)發(fā)和選路，如圖3所示，兩臺(tái)設(shè)備配置了完全相同的IP地址，出現(xiàn)IP地址沖突，導(dǎo)致3層網(wǎng)絡(luò)不可使用，這種現(xiàn)象稱為多激活（multi-active）。

圖3 虛擬設(shè)備分裂和多激活產(chǎn)生示意

因此，當(dāng)虛擬設(shè)備發(fā)生分裂時(shí)，保證網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行對(duì)VST技術(shù)的快速發(fā)展是非常重要的。

如何快速檢測(cè)多激活的產(chǎn)生以及檢測(cè)到多激活后應(yīng)如何解決其給網(wǎng)絡(luò)帶來的影響問題是本文研究的重點(diǎn)。本文介紹了一種可較快速檢測(cè)多激活的快速多激活檢測(cè)（multi-acitve detection，MAD）方法和可有效保證網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)正常運(yùn)行的高效多激活處理方法。

3 基于LACP的多激活檢測(cè)方法和處理機(jī)制

3.1 多激活檢測(cè)方法

多激活檢測(cè)方法就是通過某些手段檢測(cè)到多激活。業(yè)界一些廠商提出的比較常見的多激活檢測(cè)方法有以下兩種。

（1）基于BFD的多激活檢測(cè)（BFD MAD）方法

該方法實(shí)現(xiàn)的前提條件是，在一個(gè)VLAN虛擬接口配置BFD和主從MADIP地址。虛擬設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，只有主控設(shè)備上配置的MADIP地址生效，BFD會(huì)話處于down狀態(tài)；當(dāng)VST分裂后會(huì)形成兩個(gè)虛擬設(shè)備，不同虛擬設(shè)備中主控設(shè)備上配置的MAD IP地址均會(huì)生效，BFD會(huì)話被激活，此時(shí)檢測(cè)到多激活。基于BFD的多激活檢測(cè)方法需要占用端口資源，使用專用的檢測(cè)端口和3層VLAN接口，從而使這些端口和接口不能再用于傳輸普通業(yè)務(wù)流量。

（2）基于 LACP 的多激活檢測(cè)（LACPMAD）方法

該方法通過擴(kuò)展LACP報(bào)文內(nèi)容實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)的前提條件是，虛擬設(shè)備與周邊設(shè)備采用動(dòng)態(tài)匯聚方式相連，借助業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)匯聚組成員端口發(fā)送LACPDU報(bào)文實(shí)現(xiàn)多激活檢測(cè)，不占用額外的設(shè)備端口資源。

網(wǎng)絡(luò)管理者需要根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境部署多激活檢測(cè)方法。在設(shè)備端口資源緊張的情況下，LACPMAD檢測(cè)方法彰顯出優(yōu)勢(shì)。

3.2 基于LACP的多激活檢測(cè)原理

第2節(jié)提及，虛擬設(shè)備采用跨設(shè)備鏈路聚合與接入層設(shè)備相連。如果采用動(dòng)態(tài)聚合方式，那么接入層設(shè)備會(huì)與虛擬設(shè)備交互LACPDU報(bào)文。

LACPMAD通過擴(kuò)展LACPDU報(bào)文實(shí)現(xiàn)，即在LACPDU的擴(kuò)展字段內(nèi)定義一個(gè)新的TLV（typelength value）數(shù)據(jù)域，用于交互虛擬設(shè)備的MAD ActiveID（以下簡(jiǎn)稱ActiveID，表示虛擬設(shè)備中主控設(shè)備的成員編號(hào)）。

（1）LACPMAD 報(bào)文格式

LACPMAD報(bào)文格式如圖4所示。

圖4 LACP MAD報(bào)文格式

其中，MAD DomainID為虛擬交換域，MAD ActiveID為當(dāng)前虛擬設(shè)備內(nèi)主控設(shè)備的成員編號(hào)，MAD Bridge MAC為虛擬設(shè)備的橋MAC地址。

（2）LACPMAD 檢測(cè)機(jī)制原理

虛擬設(shè)備中各成員設(shè)備開啟LACPMAD功能后，在發(fā)送LACPDU時(shí)會(huì)攜帶MADTLV擴(kuò)展域，其中最重要的字段是ActiveID，此值在一個(gè)虛擬設(shè)備內(nèi)具有唯一性，非虛擬設(shè)備內(nèi)的設(shè)備在收到帶有MAD TLV的LACPDU后，會(huì)將此報(bào)文向聚合組中的其他成員端口進(jìn)行透?jìng)?。虛擬設(shè)備正常工作時(shí)，通過這種方式，虛擬交換系統(tǒng)中的所有成員設(shè)備都能收到其他成員設(shè)備發(fā)送的帶有MADTLV的LACPDU，其中備份設(shè)備將收到的帶有MAD TLV的LACPDU通過VSL發(fā)送到主控設(shè)備，由主控設(shè)備統(tǒng)一處理。主控設(shè)備在對(duì)接收到的LACPDU進(jìn)行處理的過程中，發(fā)現(xiàn)各成員設(shè)備發(fā)送的LACPDU具有統(tǒng)一的ActiveID，則認(rèn)為虛擬設(shè)備正常。虛擬設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)ActiveID的交互如圖5所示。

圖5 虛擬設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)ActiveID的交互

當(dāng)虛擬設(shè)備發(fā)生分裂時(shí)，一個(gè)虛擬設(shè)備變?yōu)閮蓚€(gè)虛擬設(shè)備，不同虛擬設(shè)備內(nèi)的成員設(shè)備發(fā)送的LACPDU攜帶的ActiveID不同。當(dāng)這些LACPDU到達(dá)其他虛擬設(shè)備的主控設(shè)備時(shí)，主控設(shè)備通過比較發(fā)現(xiàn)AciveID與自身的ActiveID不同，即檢測(cè)到多激活，具體如圖6所示。同時(shí)動(dòng)態(tài)匯聚組的各成員端口會(huì)迅速發(fā)送LACPDU報(bào)文，便于其他虛擬設(shè)備在最短的時(shí)間內(nèi)快速檢測(cè)到多激活。

3.3 多激活處理

檢測(cè)到多激活后，主控設(shè)備將從接收的MAD TLV中解析出ActiveID，并按照下述算法步驟判斷本虛擬設(shè)備是否進(jìn)入禁用狀態(tài)。

（1）比較虛擬設(shè)備運(yùn)行時(shí)間：主控狀態(tài)運(yùn)行時(shí)間小的虛擬設(shè)備進(jìn)入禁用狀態(tài)，執(zhí)行步驟（4）。如果各虛擬設(shè)備的主控運(yùn)行時(shí)間相等，則執(zhí)行步驟（2）。

圖6 虛擬設(shè)備分裂后ActiveID的交互

（2）比較成員優(yōu)先級(jí)：主控成員優(yōu)先級(jí)低的虛擬設(shè)備進(jìn)入禁用狀態(tài)，執(zhí)行步驟（4）。如果各虛擬設(shè)備的主控成員優(yōu)先級(jí)相同，則執(zhí)行步驟（3）。

（3）比較主控的成員編號(hào)：主控成員編號(hào)大的虛擬設(shè)備進(jìn)入禁用狀態(tài)，執(zhí)行步驟（4）。

（4）進(jìn)入禁用狀態(tài)的虛擬設(shè)備需要完全從網(wǎng)絡(luò)中移除，相關(guān)動(dòng)作如下：

·關(guān)閉該虛擬設(shè)備上所有業(yè)務(wù)的以太端口（包括檢測(cè)端口）；

·關(guān)閉該虛擬設(shè)備上的所有VLAN接口。

經(jīng)過步驟（4）的處理之后，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中不會(huì)出現(xiàn)兩臺(tái)配置相同的虛擬設(shè)備同時(shí)運(yùn)行的情況，確保了網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行。

3.4 實(shí)驗(yàn)過程

檢驗(yàn)上述LACPMAD方法及處理機(jī)制的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，驗(yàn)證過程具體介紹如下。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境：兩臺(tái)支持VST的交換機(jī)A和交換機(jī)B，一臺(tái)支持MAD LACP報(bào)文透?jìng)鞯慕粨Q機(jī)C。物理連接如圖7所示。交換機(jī)A和交換機(jī)B之間通過支持VSL的端口相連；交換機(jī)C通過普通業(yè)務(wù)端口分別與交換機(jī)A和交換機(jī)B相連。

圖7 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

配置及操作步驟具體介紹如下。

（1）在交換機(jī)A和交換機(jī)B上，完成VST的基本配置，使兩臺(tái)設(shè)備形成一臺(tái)虛擬設(shè)備。

（2）在主控設(shè)備上配置動(dòng)態(tài)聚合組，并將與交換機(jī)B和交換機(jī)C相連的端口加入聚合組；在交換機(jī)C上配置動(dòng)態(tài)匯聚組，并將與交換機(jī)A和交換機(jī)B相連的端口加入聚合組。

（3）在主控設(shè)備上開啟該聚合組的LACPMAD功能。

（4）將VSL斷開，模擬VST分裂。

觀察交換機(jī)C上與交換機(jī)B相連接的端口的物理鏈路狀態(tài)是否為down，即端口的up指示燈是否由亮變滅。若為down，表示多激活檢測(cè)成功，處于禁用狀態(tài)的交換機(jī)B將業(yè)務(wù)端口關(guān)閉。

4 結(jié)束語(yǔ)

按照上述實(shí)驗(yàn)過程，經(jīng)過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，本文提出的多激活檢測(cè)方法可以檢測(cè)到多激活發(fā)生；在檢測(cè)到多激活后，通過多激活處理方法計(jì)算選擇處于禁用狀態(tài)的虛擬設(shè)備，并將該虛擬設(shè)備的所有業(yè)務(wù)端口關(guān)閉，可解決網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)兩臺(tái)配置相同的虛擬設(shè)備后，引起的網(wǎng)絡(luò)癱瘓問題。由此保證了網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，對(duì)于推進(jìn)VST的快速發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義。

另外，通過實(shí)際應(yīng)用環(huán)境發(fā)現(xiàn)，在VST分裂到多激活被檢測(cè)到的時(shí)間段內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)仍處于癱瘓狀態(tài)，仍會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)短時(shí)間內(nèi)業(yè)務(wù)中斷，這是網(wǎng)絡(luò)使用者不能接受的。因此縮短業(yè)務(wù)中斷時(shí)間、提高LACPMAD多激活檢測(cè)的速度仍是后續(xù)工作和學(xué)習(xí)中需要繼續(xù)探討和研究的內(nèi)容。

1 陸敏飛.鏈路聚合技術(shù)在分布式以太網(wǎng)交換機(jī)上的研究與實(shí)現(xiàn).浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009

2 Mark A D,McDonald R,Antoon W R.Nework Fundamentals CCNA Exploration Companion Guide.Cisco Press，2009

3 Wayne Lewis,Ph D.LAN Switching and Wireless CCNA Exploration Companion Guide.Cisco Press，2009

4 杭州華三通信技術(shù)有限公司.IRF2.0技術(shù)白皮書,2009

5 杭州華三通信技術(shù)有限公司.H3CS12500IRF2技術(shù)白皮書，2012

6 邁普通信技術(shù)股份有限公司.VST技術(shù)白皮書(V0.2)，2011

7 Cisco.Cisco Catalyst 6500 Series Virtual Switching System(VSS)1440 White Paper,2010

8 銳捷網(wǎng)絡(luò).銳捷VSU技術(shù)白皮書,2011

9 IEEE 802.1AX.IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks-Link Aggregation,2008