基于环型冗余结构的交换机集群的应用及其价值初探

一、概述

随着广西电视我台网络系统的不断扩大庞大，针对网络系统的管理、维护也越来越复杂化。如何经济有效地的提升网络系统安全性和性能，简化网络管理操作是我们一直不断研究的一个课题。经过研究，我们发现将多台核心交换机首尾相连形成环型冗余结构并对其进行相应配置，能够很好地的提升我们网络系统的安全性和扩展能力，并有效地的提高了网络核心层的数据交换带宽。

一、二、系统原理

基于环型冗余结构的交换机集群的设计理念，是将多台核心交换机通过物理接口头尾顺序连链接，形成环状的冗余结构，在进行一定的配置之后，这个交换机集群将虚拟化成为一台逻辑上的计算机，实现多台核心交换机的并行运行、统一管理和无缝维护。

基于环型冗余结构的交换机集群主要具有以下优点：

1.1.简化管理

：基于环型冗余结构的交换机集群运行之后，管理员通过任意一台核心交换机的接口都可以登录交换机集群，对交换机集群内所有成员设备进行统一管理。

2.2.高可靠性

：交换机集群的高可靠性体现在多个方面，例如：交换机集群由多台核心交换机组成，主核心交换机负责整个集群的运行、管理以及维护，从核心交换机既是主交换机的备份又可以并行处理业务。当主核心交换机故障，操作系统将组织所有的从核心交换机进行新的主核心交换机的选举，保障业务不会受到影响。

3.3.较强的系统扩展性能

：通过不断地的增加核心交换机，即可实现对交换机集群的规模和性能上的拓展。因为每个核心交换机都拥有独立的中央处理器，可以独立地的对报文进行处理和转发，所以基于环型冗余结构的交换机集群也可以不断地的扩展报文处理能力。

二三、工作流程

如下图1（这种情况，要改为如图1所示。因为排版的时候，不保证图刚好在这段文字下面，所以要以标序号方式表达。）所示，集群系统的建立将经历物理链接、拓扑收敛、主交换机选举、集群系统的运维四个阶段。核心交换机之间要先进行物理链接，然后将进行拓扑收敛和主交换机选举，完成集群系统的建立，此后进入系统的运维阶段。

图1 工作流程

图1 工作流程

    1.物理链接

    核心交换机之间的链接通过物理接口的链接而成的。一个设备物理端口可以对应另一个设备的物理端口，也可以通过对应两个设备之间的多个物理端口来实现链路聚合端口，以达到链路备份和扩展带宽的效果。

如图2所示，环型拓扑结构比链型拓扑结构具有更高的可靠性。当链形拓扑结构中出现链路故障时，会引起交换机集群分裂；而环形连接中某条链路故障时，会形成链形连接，交换机集群的业务不会受到影响。

图2 拓扑结构

2.拓扑收集

图2 链型与环型拓扑结构

2.拓扑收集

每台核心交换机和邻居核心交换机通过报文交互来交换机集群系统的拓扑收敛。每台核心交换机发出的交互报文都带有拓扑信息，其中包括物理接口的数量、属性和连接关系、核心交换机的编号、核心交换机的优先级、核心交换机的桥MAC等内容。

    每台核心交换机在启动时记录下本身的拓扑信息，当任意一个物理接口启用后，核心交换机从这个物理接口周期性的广播已知的拓扑信息；直接邻居核心交换机收到拓扑信息后，更新自身的拓扑信息表；核心交换机之间经过一段时间的报文交互，所有核心交换机的拓扑信息表都会变成一样的，这就是拓扑收敛。拓扑收敛完成后进入主交换机选举阶段。

3.主交换机选举

在所有核心交换机中选出一台作为主核心交换机的过程称之为主交换机选举。主交换机选举会在网络拓扑结构发生变化的情况下发生，比如交换机集群系统建立、有新的核心交换机接入、主核心交换机下线或者故障、二个或多个集群系统合并等等。主交换机选举规则如下：

（1）当前主交换机优先（集群系统建立时，没有主交换机，每个新接入的核心交换机都认为自己是主交换机，此时按照第二条规则继续进行选举）；

（2）核心交换机优先级较大的优先；

（3）交换机开机时间较长的优先；

（4）桥MAC地址较小的优先。

    从第一条规则开始进行选举，如果选举结果不是唯一，则继续按照下一条规则进行选举，直到选举出唯一最优的核心交换机为止。此唯一最优的核心交换机即为主交换机，其它核心交换机则为从交换机。在主交换机选举完毕后，交换机集群系统建立，进入集群系统的运维阶段。

4.集群系统的运维

    主交换机选举完毕之后，集群系统形成，所有的核心交换机组成一台虚拟交换机，所有核心交换机上的资源由该虚拟交换机进行管理和维护。

    在集群系统正常运行时，集群系统使用交换机编号来标识和管理核心交换机成员，并在交换机接口编号和操作系统中引入交换机编号的标识数据。整个集群系统的管理和维护都依赖于此交换机编号，因此，管理员需要在核心交换机接入集群系统前进行规划、配置该交换机的编号，保证该交换机编号在集群系统中的唯一性。

    对于单独运行的设备，接口编号采用设备编号/子槽位编号/接口序号的格式，其中：

    （1）缺省情况下，设备编号为1。

    （2）如果设备曾经加入过交换机集群，则在退出交换机集群后，仍然会使用在交换机集群时的成员编号作为自身的设备编号。

    （3）子槽位编号：接口所在子槽位的编号。

    如果某成员设备A 故障或者物理链路故障，其邻居设备会立即将“成员设备A离开”的信息广播通知给交换机集群中的其它设备。 

五、结论

继个人计算机变革、互联网变革之后，云计算被看作第三次IT浪潮，是中国战略性新兴产业的重要组成部分，它将带来生活、生产方式和商业模式的根本性改变。

虚拟化技术作为实现云计算的核心技术，成为当下研究的热点。我们通过研究、搭建与配置，实现了网络核心交换层次的应用与管理的虚拟化。基于环型冗余结构的交换机集群为我们的业务需求提供了更安全、可靠，性能更强的服务环境，为未来实现整体虚拟化云计算铺设了坚实的基础。我们相信只有不断地的研究、实践，不断地的积累技术储备，才能在一次又一次的技术革新中不掉队。

参考文献

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