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      基于企業(yè)網(wǎng)雙核心高可用性應(yīng)用方案研究

      2012-01-21 18:55:42邢培振
      中州大學(xué)學(xué)報 2012年4期
      關(guān)鍵詞:雙核心可用性網(wǎng)關(guān)

      張 慧,邢培振

      (1.中州大學(xué)信息工程學(xué)院,鄭州450044;2.華北水利水電學(xué)院 水利職業(yè)學(xué)院,鄭州450011)

      隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的不斷深化,日常辦公越來越依賴企業(yè)網(wǎng)絡(luò),這就為企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的可用性提出了更高的要求。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可用性是保證網(wǎng)絡(luò)正常運轉(zhuǎn)的基本條件,一旦出現(xiàn)意外造成網(wǎng)絡(luò)不能正常運轉(zhuǎn),需要具備及時自我恢復(fù)的能力。一個可靠的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),應(yīng)該保證能夠長期的穩(wěn)定運轉(zhuǎn),出現(xiàn)故障的概率極低。高可用性的設(shè)備和可用性技術(shù)是保證以上可用性的基礎(chǔ)。

      1.企業(yè)網(wǎng)可用性分析

      隨著社會生產(chǎn)力的提高和信息化技術(shù)的發(fā)展,數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)在人們?nèi)粘Ia(chǎn)、生活中占據(jù)著越來越重要的地位。由于網(wǎng)絡(luò)通信中斷而造成的各種損失十分巨大,人們?nèi)找骊P(guān)注如何提高網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的可用性。

      一般而言,可用性(availability)是指系統(tǒng)平均正常運行時間占總運行時間的比例,可用性指標指明了系統(tǒng)為客戶提供一定水平服務(wù)的能力。可用性指標的定量計算要用到如下兩個基本概念:

      (1)MTBF(Mean Time Between Failure),即平均無故障時間,是指設(shè)備運行的無故障性或壽命,它是描述整個系統(tǒng)可用性的重要指標。

      (2)MTTR(Mean Time To Repair),即系統(tǒng)平均恢復(fù)時間,是描述整個系統(tǒng)容錯能力的指標。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的組件出現(xiàn)故障時,網(wǎng)絡(luò)從故障狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)所需的平均時間。

      表示系統(tǒng)可用性的公式為:AVAILABILITY=MTBF/(MTBF+MTTR)*100%。

      分析系統(tǒng)可用性公式可知,提高網(wǎng)絡(luò)可用性可采取的措施是提高平均無故障時間(MTBF)或降低系統(tǒng)平均恢復(fù)時間(MTTR)。影響網(wǎng)絡(luò)可用性的因素主要包括軟、硬件設(shè)備故障、網(wǎng)絡(luò)鏈路故障、用戶操作失誤等。但是,網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)故障是不可避免的,采用從故障中快速恢復(fù)的技術(shù)以縮小MTTR指標,也是提升網(wǎng)絡(luò)可用性水平的手段。采用VRRP+MSTP技術(shù)可有效縮小MTTR指標。

      2.以太網(wǎng)中的VRRP技術(shù)

      在局域網(wǎng)內(nèi),終端用戶都設(shè)置一條相同的以網(wǎng)關(guān)為下一跳的缺省路由。主機發(fā)往其他網(wǎng)段的報文將通過缺省路由發(fā)往網(wǎng)關(guān),再由網(wǎng)關(guān)進行轉(zhuǎn)發(fā),從而實現(xiàn)主機與外部網(wǎng)絡(luò)的通信。當(dāng)網(wǎng)關(guān)發(fā)生故障時,本網(wǎng)段內(nèi)所有以網(wǎng)關(guān)為下一跳缺省路由的主機與外部網(wǎng)絡(luò)的通信將中斷。為了避免網(wǎng)絡(luò)中斷,需要通過在主機上設(shè)置多個網(wǎng)關(guān),多網(wǎng)關(guān)的配置會給網(wǎng)絡(luò)的管理和應(yīng)用帶來新的問題。為了更好地解決上述網(wǎng)絡(luò)中斷的問題,可以采用虛擬路由冗余協(xié)議(VRRP)。該協(xié)議的作用是對以太網(wǎng)上終端IP設(shè)備的默認網(wǎng)關(guān)信息(如IP和MAC)進行冗余備份,從而在當(dāng)前路由設(shè)備宕機時,能自動、及時啟用備份路由設(shè)備接管轉(zhuǎn)發(fā)工作,實現(xiàn)對用戶的透明切換,提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。

      在VRRP中,VRRP路由器是運行VRRP的物理路由器;虛擬路由器是VRRP協(xié)議創(chuàng)建的邏輯概念上的路由器。一臺虛擬路由器由一組協(xié)同工作的VRRP路由器構(gòu)成。該虛擬路由器具有唯一固定IP地址和MAC地址。該虛擬路由器中的VRRP路由器要么是主控路由器,要么是備份路由器,且只有一臺處于主控角色的路由器負責(zé)ARP應(yīng)答和轉(zhuǎn)發(fā)IP數(shù)據(jù)包,這樣,無論如何切換,保證給終端設(shè)備的是唯一一致的IP和MAC地址,減少了切換對終端設(shè)備的影響。備份路由器可以有多個。虛擬路由器中的主控路由器是通過VRRP路由器唯一標識的值產(chǎn)生的,VRID取值范圍為[0,255],且值越大優(yōu)先級越高;其他VRRP路由器均作為備份路由器。只有當(dāng)由于某種原因主控路由器發(fā)生故障時,備份路由器能在不用改變IP地址和MAC地址且在幾秒鐘的時延后升級為主路由器。

      3.以太網(wǎng)中的MSTP技術(shù)

      生成樹協(xié)議是一種二層管理協(xié)議,它通過有選擇性地阻塞網(wǎng)絡(luò)冗余鏈路來達到消除網(wǎng)絡(luò)二層環(huán)路的目的,同時具備鏈路的備份功能。它掌管著端口的轉(zhuǎn)發(fā)大權(quán),端口狀態(tài)的變化,將影響上層路由協(xié)議的路由選擇。

      生成樹協(xié)議和其他協(xié)議一樣,是隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展而不斷更新?lián)Q代的。通常把生成樹協(xié)議的發(fā)展劃分為三個時代。第一代生成樹協(xié)議是STP/RSTP,第二代生成樹協(xié)議是PVST/PVST+,第三代生成樹協(xié)議是MSTP。

      MSTP(Multiple Spanning Tree Protocol,多生成樹協(xié)議)在IEEE802.1s中定義與之前版本相比,引入了“實例(INSTANCE)”,即MSTP是基于實例的。多個VLAN對應(yīng)的一個集合構(gòu)成一個“實例(INSTANCE)”,有著相同“實例(INSTANCE)”配置的設(shè)備就組成一個MST域(MST Region),運行獨立的生成樹(這個內(nèi)部的生成樹稱為IST,Internal Spanning-tree);這個MST region組合就相當(dāng)于一個大的設(shè)備整體,與其他MST Region再進行生成樹算法運算,得出一個整體的生成樹,稱為CST(Common Spanning Tree)。實例 0具有特殊的作用,稱為CIST,即公共與內(nèi)部生成樹,其他實例則稱為MSTI,即多生成樹實例。

      MSTP協(xié)議在計算生成樹時使用的算法和原理與STP/RSTP大同小異,只是因為在MSTP中引入了域和內(nèi)部路徑開銷等參數(shù),故MSTP中的優(yōu)先級向量是7維,而STP/RSTP是5維。MSTP中的優(yōu)先級向量是{CIST根橋標識符,CIST外部根路徑開銷,CIST域根標識符,CIST內(nèi)部根路徑開銷,CIST指定橋標識符,CIST指定端口標識符,CIST接收端口標識符},MSTP中的CIST域根標識符有兩種情況,一種是總根所在域內(nèi),BPDU報文中該字段是參考總根的標識符,另一種情況是不包含總根的域中,BPDU報文該字段是參考主設(shè)備的標識符。運行MSTP的實體初始化時認為自己是總根、域根,通過交互配置消息,按照上面介紹的7維向量的優(yōu)先級計算CIST生成樹和MSTI。

      4.基于VRRP+MSTP技術(shù)設(shè)計的企業(yè)網(wǎng)雙核心應(yīng)用方案

      基于MSTP+VRRP技術(shù)的雙核心應(yīng)用方案,一般應(yīng)用于對網(wǎng)絡(luò)可用性要求較高的應(yīng)用環(huán)境,比如中小企業(yè)園區(qū)網(wǎng)、高校校園網(wǎng)、醫(yī)療、金融行業(yè)等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。該應(yīng)用方案的用戶網(wǎng)關(guān)采用VRRP協(xié)議進行備份,雙核心設(shè)備分別承擔(dān)部分用戶流量,實現(xiàn)負載分擔(dān)。物理鏈路使用MSTP協(xié)議進行備份,提高網(wǎng)絡(luò)整體可用性。同時,MSTP和VRRP的協(xié)同配置,可以使匯聚層到核心層的數(shù)據(jù)流量實現(xiàn)負載分擔(dān),減輕單臺核心設(shè)備的壓力,使網(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)定和可靠。

      4.1 MSTP+VRRP雙核心應(yīng)用方案中應(yīng)注意的問題

      (1)配置VRRP協(xié)議時,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃劃分用戶網(wǎng)段,每一個網(wǎng)段中用戶數(shù)一般不超過254個。對每一個用戶網(wǎng)段,雙匯聚設(shè)備使用VRRP進行網(wǎng)關(guān)備份。

      (2)配置VRRP協(xié)議時,最好讓雙匯聚設(shè)備都承擔(dān)部分網(wǎng)段的用戶網(wǎng)關(guān)責(zé)任,實現(xiàn)負載分擔(dān)??梢允褂梅謸?dān)各50%左右網(wǎng)絡(luò)流量的比例進行設(shè)計。

      (3)配置VRRP協(xié)議時,一般使用默認值配置即可。如果網(wǎng)絡(luò)特別容易遭受攻擊,導(dǎo)致VRRP振蕩,可以適當(dāng)修改VRRP的通告時間間隔(timer advertise)。比如,默認值是1秒,則VRRP振蕩的時間為3秒。如果修改為2秒,那么VRRP振蕩的時間就延長為6秒。

      (4)配置MSTP協(xié)議時,域的配置很重要,要域名、域修正值和Vlan-instance對應(yīng)關(guān)系都一致才認為是在同一個域中。配置時,一般只需要保證雙核心設(shè)備中Vlan-instance的配置一致,域名和域修正值采用默認值即可。

      (5)配置MSTP協(xié)議時,在容易遭受BPDU攻擊的網(wǎng)絡(luò)中,接入層設(shè)備直接接用戶的端口,可以配置BPDU FILTER,過濾掉 BPDU報文。同時配置了BPDU FILTER功能的端口就無需再配置上PORT FAST。因為配置BPDU FILTER功能的端口就是直接Forwarding的,直接轉(zhuǎn)發(fā)用戶數(shù)據(jù)。

      (6)配置MSTP協(xié)議時,在容易發(fā)生鏈路up/down的端口,比如接用戶的端口,可以在這些端口上配置Tc Protection,防止這些端口up/down引發(fā)MSTP振蕩。

      (7)配置MSTP協(xié)議時,一般將匯聚設(shè)備設(shè)置為根橋,這通過修改設(shè)備的優(yōu)先級實現(xiàn)。與VRRP協(xié)議一起使用時,可以將本設(shè)備上VRRP作為用戶網(wǎng)關(guān)的Vlan對應(yīng)的instance,根橋也設(shè)置在這臺設(shè)備上。這樣的話,接入層的用戶數(shù)據(jù)直接二層轉(zhuǎn)發(fā)到用戶網(wǎng)關(guān)上,不需要經(jīng)過其他設(shè)備中轉(zhuǎn)了,增加了網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和可用性。

      (8)配置MSTP協(xié)議時,一般hello時間可以使用默認值,不必修改。如果網(wǎng)絡(luò)特別容易遭受攻擊,導(dǎo)致MSTP振蕩,可以適當(dāng)修改MSTP的hello時間間隔。比如,默認值是1秒,則MSTP振蕩的時間為3秒。如果修改為2秒,那么MSTP振蕩的時間就延長為6秒。

      (9)在雙核心拓撲中,匯聚層和接入層互連的端口上,都可以配置TPP(Topology Protection Protocol,拓撲保護協(xié)議)。防止設(shè)備遭受攻擊時,CPU過高導(dǎo)致拓撲振蕩。

      4.2 MSTP+VRRP雙核心應(yīng)用方案規(guī)劃

      MSTP+VRRP雙核心應(yīng)用方案是提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可用性的一個比較優(yōu)秀的解決方案。其雙核心交換機Switch-A和Switch-B上運行VRRP和MSTP,實現(xiàn)路由的冗余,鏈路的負載均衡。

      (1)基于VRRP技術(shù)的路由冗余規(guī)劃方案

      核心層交換機上有8個用戶Vlan,Vlan id為10,20,…,80。對應(yīng)svi接口運行VRRP協(xié)議。對于經(jīng)過核心層到Internet的數(shù)據(jù)流,讓Vlan10、Vlan20、Vlan30、Vlan40以Switch-A為Master主路由器,作為用戶的網(wǎng)關(guān)為用戶轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),Switch-B為Backup備份路由器;讓 Vlan50、Vlan60、Vlan70、Vlan80以Switch-B為Master主路由器,作為用戶的網(wǎng)關(guān)為用戶轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),Switch-A為Backup備份路由器。VRRP協(xié)議規(guī)定優(yōu)先級數(shù)值越大優(yōu)先級越高,因此Master主路由器的優(yōu)先級設(shè)置為254,backup備份路由器的優(yōu)先級采用默認值100來實現(xiàn)。

      (2)基于MSTP技術(shù)的負載均衡規(guī)劃方案

      為了實現(xiàn)鏈路負載均衡,將核心交換機上運行的MSTP設(shè)置2個Vlan-instance實例,域名和域修正值采用默認設(shè)置。讓 Vlan10、Vlan20、Vlan30、Vlan40對應(yīng)到實例 instance 1 上,讓 Vlan50、Vlan60、Vlan70、Vlan80對應(yīng)到實例instance 2上。讓Switch-A成為實例instance 1的根橋,讓Switch-B成為實例instance 2的根橋。MSTP協(xié)議規(guī)定優(yōu)先級數(shù)值越小優(yōu)先級越高,因此通過根橋的優(yōu)先級設(shè)置為4096,備份根橋的優(yōu)先級設(shè)置為8192來實現(xiàn)。

      (3)方案優(yōu)化

      在接入層交換機連接用戶的端口上啟用BPDU FILTER功能,可直接過濾BPDU報文,從而有效避免BPDU攻擊、防止MSTP信息泄漏,另外端口可以快速Forwarding。交換機接口上開啟TPP功能,設(shè)置CPU的利用率閥值為60。在交換機CPU利用率超過60%時,能保持VRRP和MSTP不發(fā)生振蕩。

      5.結(jié)束語

      VRRP+MSTP雙核心高可用性應(yīng)用方案,網(wǎng)絡(luò)擴容,維護方便,實現(xiàn)用戶網(wǎng)關(guān)和物理鏈路的雙備份,提高了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可用性。和其他提高網(wǎng)絡(luò)可用性的方案相比,該方案可以使用較少的客戶投資,獲得較高的客戶收益。同時,在這個方案的基礎(chǔ)上,客戶可以組合其他相關(guān)技術(shù)提高系統(tǒng)可用性。

      [1]鄒潤生.VRRP技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的路由冗余和負載均衡[J].計算機與信息技術(shù),2006(4):54 -56.

      [2]嚴華.VRRP技術(shù)在校園網(wǎng)中的應(yīng)用[J].福建電腦,2007(12):162-163.

      [3]賈娟.一種基于VRRP的核心路由器高可用性方法研究與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2007(2):110-112.

      [4]邱艷海.MSTP承載以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的組網(wǎng)與應(yīng)用[J].光通信研究,2007(3):20-22.

      [5]江立峰.淺論MSTP技術(shù)及應(yīng)用[J].中國電子商務(wù),2011(8):39.

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