网络设备IRF虚拟化堆叠技术的研究与实现

南京邮电大学硕士学位论文网络设备IRF虚拟化堆叠技术的研究与实现姓名：陈丽佳申请学位级别：硕士专业：计算机软件与理论指导教师：陈春玲2011-02-17南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要I摘要为了简化组网结构，提高组网可靠性，网络设备虚拟化技术应运而生。然而随着交换网络面临越来越高的要求，其可靠性、可用性、可管理性等多方面都面临越来越高的挑战，传统的虚拟化技术很难满足目前高性能交换网络的需求。研究一种新型的虚拟化技术来改变现状是势在必行。论文主要研究了目前几种设备虚拟化技术的实现情况，并进行了分析比较，阐述其各自的优缺点。并在此基础上，提出智能弹性架构这种新型的虚拟化技术。它的核心思想是将多台网络设备通过物理口连接在一起，进行必要的配置后，虚拟化成一台“分布式设备”。此外，在理论研究的基础上，设计出智能弹性架构堆叠系统，并采用抓包工具，通用测试平台等测试工具对这个系统进行了测试。测试结果表明，这种系统不仅能够满足设计要求稳定运行，并且能够实现预期的功能，提高组网的可靠性。论文描述的智能弹性架构堆叠技术能够改进其他虚拟化技术的缺点，并在此基础上实现新的功能，对于解决目前网络中面临的网络收敛性能差、管理繁琐、升级成本高等问题有很大的改善。关键词：堆叠，虚拟化，分布式、虚拟设备南京邮电大学硕士研究生学位论文AbstractIIAbstractInordertosimplifythenetworkstructureandimprovenetworkreliability,networkdevicevirtualizationtechnologyarisedatthehistoricmoment.However,withtheexchangenetworkfacemoreandmorehighdemands,itsreliability,availability,manageabilityarefacingtheincreasinglyhighchallenge.Thetraditionalvirtualizationtechnologyishardtomeettherequirementsofcurrenthigh-performanceexchangenetwork.Soresearchinganewtypeofvirtualizationtechnologytochangethestatusisimperative.Thepapermainlystudiestherealizationofseveraldevicevirtualizationtechnology,analyzesandcomparesthem,andexpoundstheirownadvantagesanddisadvantages.Andonthisbasis,proposesthenewtypeofvirtualizationtechnologywhichcalledIntelligentResilientFramework.Thecentralideaofthisnewtechnologyislinkingmultiplenetworkdevicesthroughphysicalports,andvirtualthemintoadistributedequipmentaftersomenecessaryconfigurations.Inaddition,onthebasisoftheoreticalresearch,designsthesystemofIntelligentResilientFramework,andtestsitwithtesttools,suchasEtherealanduniversaltestplatform.Resultsshowthatthissystemcannotonlysatisfiesthedesignrequirementsandrunsstably,butalsoachievesthedesiredfunction,andimprovesthenetworkreliability.ThestacktechnologyofIntelligentResilientFrameworkdescribesinthispapercanimprovetheshortcomingsofothervirtualizationtechnologies,andrealizesnewfunctionsonthisbasis.Thistechnologygreatlyimprovestheproblemsthecurrentnetworkfacing,suchaspoorperformanceofnetworkconvergence,triflesofmanagement,andhighcostofupgrade.Keywords：Stack,Virtualization,Distributed,Virtualdevice南京邮电大学硕士研究生学位论文缩略词III缩略词缩略词英文全称译文ARPAddressResolutionProtocol地址解析协议BFDBidirectionForwardingDetection双向转发检测IRFIntelligentResilientFramework智能弹性架构LACPLinkAggregationControlProtocol链路聚合协议MADMuti-ActiveDetection多活动检测MSTPMultipleSpanningTreeProtocol多生成树协议MTBFMeanTimeBetweenFailures平均故障间隔MTTRMeanTimeToRepair平均修复时间STMStackTopoManagement堆叠拓扑管理STPSpanningTreeProtocol生成树协议VRRPVirtualRouterRedundancyProtocol虚拟路由冗余协议VSSVirtualSwitchSystem虚拟交换系统XRNExpandableResilientNetworking可扩展弹性网络南京邮电大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。南京邮电大学学位论文使用授权声明南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权南京邮电大学研究生院（筹）办理。研究生签名：_____________日期：____________研究生签名：____________导师签名：____________日期：_____________南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论1第一章绪论网罗设备的虚拟化堆叠技术是将一台设备虚拟化成一台逻辑设备来管理的技术，这种技术致力于简化组网管理、提高网络性能、提升组网结构的可靠性。本章主要阐述课题的研究背景、研究现状以及本文所作的工作。1.1研究背景和意义早在20世纪70年代，以太网之父Metcalfe博士在美国加州的Xerox实验室里，率先提出了以太网的概念。1980年2月，IEEE成立了闻名的802计划，并开会讨论如何将所有LAN技术统一到一个标准上，该委员会被分成了几个工作组，其中IEEE802.3研究基于以太网技术的标准。在随后的近三十年的时间，802.3的标准几经风雨逐渐一统江湖。而基于以太网技术的产品和应用逐渐丰富完善。无论是技术的发展还是产品的更新换代，都是源于用户的需求。那么用户的需求是什么呢？用最简单的话来说就是“更简单的使用更好的网络”[1]。什么是更好的网络？性能更高，可靠性更高，安全性更高，业务更丰富，不同的用户有不同的说法。什么是更简单？无非是网络结构简单，业务实现简单，管理维护简单。为了向用户提供更好的网络，各种技术不断推陈出新，以太网速率的标准已经从最初的十兆增长到了40G和100G甚至更多，而为了保证网络的可靠性、故障自愈性，在方案设计中均需要考虑各种冗余设计，如网络冗余节点、冗余链路等[1]。冗余的设计使网络结构中出现了环路，出现环路就有可能引起广播风暴，于是生成树（SpanningTreeProtocol，STP）技术应运而生。虽然生成树技术消除了环路，但却带来了链路性能利用不足等新的问题。随之多生成树（MultipleSpanningTreeProtocol，MSTP）技术利用通过多实例的划分来实现不同链路流量的负载分担，提高了链路可用性能，但与此同时网络的结构、管理维护工作量翻了几番。而管理维护量大都会导致一旦配置出错又会回到起初环路产生所带来的广播风暴的问题。于是，问题似乎又回到了原点。从根本上讲，网络结构、业务、管理维护的复杂度基本上源于以下两个方面：一方面是由于网络设备数量众多直接带来的；另一方面是由于网络设备数量众多衍生出的类似生成树技术、虚拟路由冗余（VirtualRouterRedundancyProtocol，VRRP）这些特性间接带来的。但无论是直接还是间接，本质上都是网络设备数量的问题。所以，最根本的方法，南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论2就是要减少逻辑设备的数量。换句话讲，就是将多台物理设备虚拟为一台逻辑上统一的设备，使其能够实现统一的运行，从而达到减小网络规模的目的[1]。针对目前网络的这种需求，设备虚拟化技术应运而生，这种技术可以将网路中的多台设备虚拟化成一台设备来管理和使用。目前对虚拟化技术的研究已经有了一定的进展，但是大多数在实现上并不尽如人意，很难适用于目前需要高性能高效率的组网环境。1.2国内外研究现状从提出虚拟化理念开始，虚拟化技术就在不断发展、变化中。不同技术实现也不尽相同。比如国外厂商3com在2001年率先提出了可扩展弹性网络（ExpandableResilientNetworking，XRN）的概念，并且在其S4400系统网络设备上实现了XRN技术。该技术虽然以分布式交换架构概念为基础，但是只支持集中式设备，而且对设备本身的限制比较高，不支持堆叠配置，要求设备物理上具有堆叠口，设备的稳定性也不高。继而在2003年和2007年著名厂商Cisco分别提出了StackWise和虚拟交换系统（VirtualSwitchSystem，VSS）的概念，而且分别在其C3750系列设备和C6500系列设备上加以实现。Cisco的VSS技术将使两台物理CiscoCatalyst6500系列交换机作为单一逻辑虚拟交换机运行，从而提高运营效率、增强不间断通信，同时VSS也支持分布式设备的虚拟化。但是VSS技术支持的交换机系列很少，只有专用的，高商务的引擎和板卡才支持，而且VSS技术实现不支持单点冗余，一台分布式设备在一个框内只能配置一块主控板。也就是说一旦这块主控板发生故障，整框将会重启，与其他设备的业务通信也会中断，VSS结构也不复存在。而普通分布式设备一框内可以配置两块主控板，实现1+1冗余备份，从某种角度上看，VSS设备的可靠性不如普通的分布式设备。此外国内的厂家如中兴和华为也曾提出过类似的虚拟化概念，但是可惜的是未能真正付诸于实现。虽然网络设备虚拟化技术已经有了如上所述的实现，但是仍普遍存在以下问题：1、支持的功能少大部分厂商在虚拟化技术实现时采用了全新的系统架构，导致原本在其它设备上很普通很成熟的技术，在虚拟设备上都需要单独的支持，而多年的技术积累很难在短时间内重新实现，因此只能保证虚拟设备只能支持基本功能，而大量的增值服务很可能缺失。2