IRF虚拟化技术在气象网络中的应用
2022-06-08
1引言
国内气象宽带网通信系统经过几年来不断的扩容、优化，其稳定性，可靠性得到了很好的提升，但是随着网络规模越来越大，用户和设备数量越来越多，用户对于网络的要求越来越高。针对实时气象数据、视频会商系统等对传输准确性和时效性的需求，在进行网络设计时，考虑到了网络设备和线路的冗余，并通过STP（SpanningTreeProtocol，生成树协议），MSTP（MultipleSpanningTreeProtocol，多生成树协议）技术来消除环路，提高链路可用性能，但与此同时却使网络结构变得越来越复杂，增加管理维护工作量和配置带来广播风暴的风险，为了简化网络和降低维护的复杂度，网络虚拟化技术应运而生。
2关键技术
2.1虚拟路由器冗余协议（VRRP）
VRRP（VirtualRouterRedundancyProtocol，虚拟路由器冗余协议）是一种冗余备份协议，为具有组播或广播能力的局域网（如以太网）设计，保证当局域网内主机的下一跳路由器/交换机设备出现故障时，可以及时地由另一台路由器/交换机来代替，从而保持网络通信的连续性和可靠性。
2.2最短路径优先协议（OSPF）
OSPF（OpenShortestPathFirst，开放式最短路径优先协议）是一种内部网关协议，通过路由器之间通告网络接口的状态来建立链路状态数据库，生成最短路径树，每个OSPF路由器使用这些最短路径构造路由表。
2.3智能弹性架构技术（IRF）
IRF（IntelligentResilientFramework，即智能弹性架构技术）是一种软件虚拟化技术。它的核心思想是将多台设备通过IRF物理端口连接在一起，进行必要的配置后，虚拟化成一台"分布式设备"。
3IRF在气象网络优化中的应用
为提高国内气象宽带网络系统运行的稳定性、可靠性，计划使用两台交换机以解决设备单点故障，如果使用传统网络生成树+VRRP的部署方式，不仅极大地改变现有网络结构，使网络结构变得复杂，也同样给各节点实施工作带来极大负担，而且MSTP和OSPF技术带来其他协议缺陷，譬如STP收敛速度慢，OSPF协议交互报文开销大等问题也使得网络难以进行管理。
3.1工作原理
为了简化配置，方便管理，在省级部署两台带IRF模块的交换机通过堆叠模块以及堆叠线缆实现互连，并将IRF端口和IRF物理端口进行绑定。这样汇聚层的两台交换机成为了一个单一的逻辑设备，接入设备直接连接到虚拟设备。虚拟化后的各成员交换机协商主、从角色，主交换机控制二层和三层协议的运行，主、从交换机间通过虚拟交换链路交换信息；各成员设备都有CPU，能够独立处理协议报文、进行报文转发。优化前后的拓扑图如图1、2所示。
3.2优化配置
启用IRF以后，不需要使用MSTP、VRRP协议，也没有复杂的路由规划和大量的IP地址消耗，简化了网络配置；原先需要每台设备逐一配置，现在只需配置一次即可，大大简化了设备的管理维护；
具体配置如下：
IRF堆叠配置
（1）配置设备编号
irfmember1renumber2
（2）将两台设备断电后，连接IRF链路，然后将两台设备上电。
#创建设备的IRF端口，与物理端口绑定
irf-port1/2
portgroupinterfaceten-gigabitethernet1/1/1
portgroupinterfaceten-gigabitethernet1/1/2
interfaceten-gigabitethernet1/1/2
irf-port2/1
portgroupinterfaceten-gigabitethernet2/1/1
portgroupinterfaceten-gigabitethernet2/1/2
interfaceten-gigabitethernet2/1/1
#激活交换机的IRF端口配置。
irf-port-configurationactive
（3）两台设备间会进行Master竞选，竞选失败的一方将自动重启，重启完成后，IRF形成。
3.3可靠性分析
为保证堆叠连接的可靠性，采用了双堆叠线路冗余连接，当单台交换机故障时，防火墙、路由器间仍可通过另外一台交换机互连互通。具有较高可靠性。
两台交换机通过链路汇聚功能实现线路冗余的同时还能够分担业务流量，使线路带宽增加到之前的两倍。交换机与单台路由器的连线出现故障时，当链路汇聚的一根线路故障之后，业务可无延迟地从另一根线路继续转发至路由器，不影响网络通信。
4交换机虚拟化技术优势分析
IRF网络架构与传统的网络设计相比，简化网络逻辑拓扑，还可减少两台交换机物理链路上不必要的流量，使得网络带宽得到更有效的利用。IRF的实施所带来的部署和应用的优点，可以归结如下：4.1简化网络结构，方便了管理
通过部署IRF技术，在不破坏原有结构的基础上即可实现设备和线路冗余等应用需求，同时由于多台物理设备逻辑上成为一台，用户通过任意成员设备的任意端口都可以登录IRF系统，对IRF内所有成员设备进行统一管理，不会带来额外的设备配置和修改工作量。
4.2简化协议配置，减少收敛时间
避免MSTP和OSPF等协议产生的负开销影响，使网络结构简洁、完整；依靠跨设备的链路聚合，在成员出现故障时不再依赖MSTP、VRRP等协议的收敛，大大减少故障后网络重新收敛时间。
4.3提高设备的可用性
IRF堆叠交换机由两台或多台交换机组成，Master设备负责IRF的运行、管理和维护，Slave设备作为备份同时进行业务处理。一旦Master设备故障，系统会迅速自动选举新的Master，以保证业务不中断，从而实现了设备的1：N备份，提高设备可靠性，IRF可有效完成设备冗余任务，消除单点故障隐患。
4.4实现线路冗余，解决单点故障带来的隐患
使用IRF虚拟化后的交换机可支持跨设备端口汇聚功能，实现与上行、下行网络设备的线路冗余，有效地排除和避免了线路故障带来的业务中断或线路本身遇到故障的问题。
4.5具备较好的网络扩展功能
采用IRF技术后，可有效满足宽带网交换机扩容需求，如需增加设备，可将新增交换机通过堆叠方式纳入现有网络结构，即可通过IRF技术以最简便的方式实现扩展交换机端口数、线路带宽等应用需求增长等问题。
5结语
虚拟交换机技术把两个或多个物理上连接在一起的交换机结合在一起，对外呈现出的是一个逻辑上的、虚拟出的交换机，实现多台设备的协同工作、统一管理和不间断维护。通过IRF虚拟化技术可以实现跨设备链路汇聚，当聚合链路中的一条线路出现故障后，业务流量能够迅速切换到另一条线路，多条链路之间可以互为备份也可以进行负载分担，提高线路的冗余性和可靠性。
网络虚拟化做为关键技术，逐渐成为当前IT技术领域的热点，已被越来越多的用户所认可和接受，优化网络架构、简化网络配置，提升系统运行效率是当前技术发展的方向，随着IRF2（即第二代智能弹性架构技术）的出现，虚拟化技术在整网的应用范围将大大扩展，必将带来全网业务的简化。
[参考文献]
[1]国家气象信息中心.CMANet省级宽带网互连交换机更新改造实施方案.2012.
[2]AndrewSTanenbaum.计算机网络（第四版）.清华大学出版社，2004.
[3]华为技术有限公司.《网络虚拟化IRF2技术架构》.《IP领航》，2009第六期.
国内气象宽带网通信系统经过几年来不断的扩容、优化，其稳定性，可靠性得到了很好的提升，但是随着网络规模越来越大，用户和设备数量越来越多，用户对于网络的要求越来越高。针对实时气象数据、视频会商系统等对传输准确性和时效性的需求，在进行网络设计时，考虑到了网络设备和线路的冗余，并通过STP（SpanningTreeProtocol，生成树协议），MSTP（MultipleSpanningTreeProtocol，多生成树协议）技术来消除环路，提高链路可用性能，但与此同时却使网络结构变得越来越复杂，增加管理维护工作量和配置带来广播风暴的风险，为了简化网络和降低维护的复杂度，网络虚拟化技术应运而生。
2关键技术
2.1虚拟路由器冗余协议（VRRP）
VRRP（VirtualRouterRedundancyProtocol，虚拟路由器冗余协议）是一种冗余备份协议，为具有组播或广播能力的局域网（如以太网）设计，保证当局域网内主机的下一跳路由器/交换机设备出现故障时，可以及时地由另一台路由器/交换机来代替，从而保持网络通信的连续性和可靠性。
2.2最短路径优先协议（OSPF）
OSPF（OpenShortestPathFirst，开放式最短路径优先协议）是一种内部网关协议，通过路由器之间通告网络接口的状态来建立链路状态数据库，生成最短路径树，每个OSPF路由器使用这些最短路径构造路由表。
2.3智能弹性架构技术（IRF）
IRF（IntelligentResilientFramework，即智能弹性架构技术）是一种软件虚拟化技术。它的核心思想是将多台设备通过IRF物理端口连接在一起，进行必要的配置后，虚拟化成一台"分布式设备"。
3IRF在气象网络优化中的应用
为提高国内气象宽带网络系统运行的稳定性、可靠性，计划使用两台交换机以解决设备单点故障，如果使用传统网络生成树+VRRP的部署方式，不仅极大地改变现有网络结构，使网络结构变得复杂，也同样给各节点实施工作带来极大负担，而且MSTP和OSPF技术带来其他协议缺陷，譬如STP收敛速度慢，OSPF协议交互报文开销大等问题也使得网络难以进行管理。
3.1工作原理
为了简化配置，方便管理，在省级部署两台带IRF模块的交换机通过堆叠模块以及堆叠线缆实现互连，并将IRF端口和IRF物理端口进行绑定。这样汇聚层的两台交换机成为了一个单一的逻辑设备，接入设备直接连接到虚拟设备。虚拟化后的各成员交换机协商主、从角色，主交换机控制二层和三层协议的运行，主、从交换机间通过虚拟交换链路交换信息；各成员设备都有CPU，能够独立处理协议报文、进行报文转发。优化前后的拓扑图如图1、2所示。
3.2优化配置
启用IRF以后，不需要使用MSTP、VRRP协议，也没有复杂的路由规划和大量的IP地址消耗，简化了网络配置；原先需要每台设备逐一配置，现在只需配置一次即可，大大简化了设备的管理维护；
具体配置如下：
IRF堆叠配置
（1）配置设备编号
irfmember1renumber2
（2）将两台设备断电后，连接IRF链路，然后将两台设备上电。
#创建设备的IRF端口，与物理端口绑定
irf-port1/2
portgroupinterfaceten-gigabitethernet1/1/1
portgroupinterfaceten-gigabitethernet1/1/2
interfaceten-gigabitethernet1/1/2
irf-port2/1
portgroupinterfaceten-gigabitethernet2/1/1
portgroupinterfaceten-gigabitethernet2/1/2
interfaceten-gigabitethernet2/1/1
#激活交换机的IRF端口配置。
irf-port-configurationactive
（3）两台设备间会进行Master竞选，竞选失败的一方将自动重启，重启完成后，IRF形成。
3.3可靠性分析
为保证堆叠连接的可靠性，采用了双堆叠线路冗余连接，当单台交换机故障时，防火墙、路由器间仍可通过另外一台交换机互连互通。具有较高可靠性。
两台交换机通过链路汇聚功能实现线路冗余的同时还能够分担业务流量，使线路带宽增加到之前的两倍。交换机与单台路由器的连线出现故障时，当链路汇聚的一根线路故障之后，业务可无延迟地从另一根线路继续转发至路由器，不影响网络通信。
4交换机虚拟化技术优势分析
IRF网络架构与传统的网络设计相比，简化网络逻辑拓扑，还可减少两台交换机物理链路上不必要的流量，使得网络带宽得到更有效的利用。IRF的实施所带来的部署和应用的优点，可以归结如下：4.1简化网络结构，方便了管理
通过部署IRF技术，在不破坏原有结构的基础上即可实现设备和线路冗余等应用需求，同时由于多台物理设备逻辑上成为一台，用户通过任意成员设备的任意端口都可以登录IRF系统，对IRF内所有成员设备进行统一管理，不会带来额外的设备配置和修改工作量。
4.2简化协议配置，减少收敛时间
避免MSTP和OSPF等协议产生的负开销影响，使网络结构简洁、完整；依靠跨设备的链路聚合，在成员出现故障时不再依赖MSTP、VRRP等协议的收敛，大大减少故障后网络重新收敛时间。
4.3提高设备的可用性
IRF堆叠交换机由两台或多台交换机组成，Master设备负责IRF的运行、管理和维护，Slave设备作为备份同时进行业务处理。一旦Master设备故障，系统会迅速自动选举新的Master，以保证业务不中断，从而实现了设备的1：N备份，提高设备可靠性，IRF可有效完成设备冗余任务，消除单点故障隐患。
4.4实现线路冗余，解决单点故障带来的隐患
使用IRF虚拟化后的交换机可支持跨设备端口汇聚功能，实现与上行、下行网络设备的线路冗余，有效地排除和避免了线路故障带来的业务中断或线路本身遇到故障的问题。
4.5具备较好的网络扩展功能
采用IRF技术后，可有效满足宽带网交换机扩容需求，如需增加设备，可将新增交换机通过堆叠方式纳入现有网络结构，即可通过IRF技术以最简便的方式实现扩展交换机端口数、线路带宽等应用需求增长等问题。
5结语
虚拟交换机技术把两个或多个物理上连接在一起的交换机结合在一起，对外呈现出的是一个逻辑上的、虚拟出的交换机，实现多台设备的协同工作、统一管理和不间断维护。通过IRF虚拟化技术可以实现跨设备链路汇聚，当聚合链路中的一条线路出现故障后，业务流量能够迅速切换到另一条线路，多条链路之间可以互为备份也可以进行负载分担，提高线路的冗余性和可靠性。
网络虚拟化做为关键技术，逐渐成为当前IT技术领域的热点，已被越来越多的用户所认可和接受，优化网络架构、简化网络配置，提升系统运行效率是当前技术发展的方向，随着IRF2（即第二代智能弹性架构技术）的出现，虚拟化技术在整网的应用范围将大大扩展，必将带来全网业务的简化。
[参考文献]
[1]国家气象信息中心.CMANet省级宽带网互连交换机更新改造实施方案.2012.
[2]AndrewSTanenbaum.计算机网络（第四版）.清华大学出版社，2004.
[3]华为技术有限公司.《网络虚拟化IRF2技术架构》.《IP领航》，2009第六期.