高可靠性网络的研究与实现

发布时间：2022-10-05 21:43 热度：

　　摘 要 本文介绍了基于链路聚合、生成树两种技术的高性能网络。分析了在网络中实现无单点故障，即任何单个交换机或者单条链路的故障都不会影响网络的连通性更不会导致整个网络的瘫痪，同时也研究如何提高网络的吞吐率的问题。实验结果表明，由此组成的网络极大地提高了网络的性能。

　　关键词 单点故障;链路聚合;生成树算法

　　1 前言

　　在以网络为支撑的信息时代里，信息的传播和获取极大地依赖网络，因此在网络长时间不间断的运行过程中，实现一个无单点故障，全冗余的高性能网络很重要。在组建网络的过程中，交换机与交换机之间采用Spanning Tree Algorithm即生成树算法可以实现它们之间的链路冗余，能保证交换机无单点故障;交换机与主机之间采用Link-aggregation即链路聚合等技术可以实现他们之间的链路冗余并有效提高链路之间的带宽。这样便能组建任何单个交换机或单条链路的故障都不会影响网络的连通性，更不会导致整个网络的瘫痪即无单点故障的高性能网络。

　　2 网络拓扑结构

　　网络由于某些部件失效从网络中删除后，如剩余部分满足以下两个条件：①所有接点保持连通，不被分割成两个或者多个子网;②工作接点数大于某一值，则网络仍处于工作状态[1] 。为了达到如上条件，在实验环境中，采用的交换机为DES-32559G、IntelExpress 460和Intel 82559网络适配器，并进行冗余设计。设计的网络拓扑结构如图1所示。

　　3.1 生成树算法

　　初看网络拓扑图，感觉在整个网络中有回路存在，将会形成广播风暴，从而影响整个网络的性能。显然如果是简单的连接，那一定会出现如上结果，事实上是在网络中通过在各交换节点之间构建多条物理链路来提供冗余以形成冗余链路从而提高整个网络的可靠性。任何两个网络之间应该只有一条路径，否则，网络中将出现环路。如果存在着多于一条的路径，那么生成树算法(Spanning Tree Alorithm 简写为STA )就会侦测到环路的发生，并自动选择开销值(COST)最低的那条路径作为可使用的路径(主链路)，而阻断其它路径，将它们作为备用路径(备用链路)。在主链路正常工作时，备用链路处于空闲状态(不工作);只有在主链路出现问题时，生成树算法将自动启用备用链路，重构网络结构。这种自动重构的功能，使得网络上的用户能够最大限度地与网络保持正常地连接。提高了网络的可靠性。

　　3.2 链路聚合

　　所谓链路聚合是一种封装技术，它是一条点到点的链路，其实质是将两台设备间的数条链路“组合”成逻辑上的数据通路称为链路聚合[2]。在服务器上采用Intel PROSet 软件把两块网卡虚拟成一块虚拟网卡，对外只用一个IP。并结合交换的link-aggregation技术，服务器网络的带宽成倍的提高，它的另外一个好处就是实现了服务器网卡的冗余。当一块网卡不能工作的时候，计算机会立刻让另外一块网卡独立承担服务器和客户机器之间的通讯，中间不会有间断。利用Aaptive Load Balancing，IEEE 802.3ad技术配合交换机的link-aggregation技术，能成倍提高服务器的带宽。本来82559网卡的带宽和交换都为100M的带宽，采用此技术捆绑两块82559网卡后理论上服务器能达到200M。在实验的过程中发现，它不是这样简单的相加，但是性能的提高是明显的，数据的交换更平稳。这样就把两条物理链路在逻辑上形成一条数据通道。图2，图3为其示意图。 图 2 创建组图 3 结果虚拟出一网卡

　　交换机链路聚合是将交换机的多个端口聚集在一起，从而形成一个高带宽的数据传输通道。把交换机链路聚合内的所有端口看作一个端口。在组合交换机链路聚合中，将有一个端口指定为主端口。而且它们里面的端口都以相同的方式工作。

　　4 链路分析

　　4.1 从服务器到接入交换机的链路

　　在平常情况下只要交换机链路故障或网卡故障都将导致服务器不能连到相应的接入交换机。现在可以利用Intel PROSet软件把服务器中的两块网卡虚拟成一块虚拟网卡，接到不同的接入交换机。如图1服务器的两块网卡进行链路聚合后分别接入交换机器1、交换机2，和交换机之间采用链路冗余解决这个问题。利用AFT(Adapter Fault Tolerance)技术实现网卡间的容错，当主网卡或该网卡到所连的交换机链路发生故障时例如图1中的网卡1发生故障，服务器会立刻将该网卡上的流量转移到备份网卡2上。反之也成立，当图1中服务器网卡2或者交换机1出现故障，服务器会立刻把该链路上的流量转移到另外的链路上。从而极大地提高了服务器的性能。下面是拔掉服务器的一根网线后，另外一块网卡立刻承担服务器的全部通讯功能的实验结果图。打开Windows的事件查看器，见图4所示结果。

　　4.2 从交换机接入交换机的链路 交换机2与交换机3以及交换机4各形成一条链路，但是在交换机2中已经对此两条链路采用了Spanning Tree Algorithm技术，根据前面论述知道在主链路正常工作的时候如交换机2与交换机4链路，备用链路如交换机2与交换机3之间的链路处于空闲状态，只有在主链路出现问题的时候，备用链路才不需要人工干预自动地接替主链路。同理交换机1，与交换机3以及交换机4之间的链路进行同样的处理。显然这样整个网络不会形成环路，并且客户机能够最大限度与服务器保持正常的连接，提高了网路的可靠性能。

　　5 结论

　　对数据流量大和对网络可靠性要求高的情况，可以通过设置服务器多网卡冗余链路，交换机冗余链路的设置，配合Spanning Tree Algorithm，Link Aggregation，，Aaptive Load Balancing，IEEE 802.3ad等技术，消除网络中的单点故障，最终建立一个安全、可靠、高效的网络系统。但此方案由于全部采用冗余设置，因此投资成本相应较高。

　　参考文献

　　[1] 赫川，李英涛. 通信网络的图谱可靠性分析[J].哈尔滨工业大学学报，1997，29，87-89

　　[2] 匡昌武，方厚辉. 冗余链路技术在工业以太网中的应用分析[J] .工业控制计算机，2007，20，18-19