基于链路聚合控制协议的堆叠网络设计与应用

宁 娟，邱逸昌，邵静怡，刘高同，王 宇

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

基于链路聚合控制协议的堆叠网络设计与应用

宁 娟，邱逸昌，邵静怡，刘高同，王 宇

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

文章介绍了国内最大卧式空间环境模拟器KM7A的系统网络架构，在该网络中应用了堆叠网络以及链路聚合控制协议（LACP），通过链路聚合控制协议对所有关键设备进行链路绑定，实现了关键设备和数据链路的冗余，大大缩短了主/备试验网络数据链路的切换时间，避免了单链路失效，提升了数据传输链路的稳定性和故障容错性。

堆叠网络；链路聚合控制协议；空间环境模拟器

0 引言

KM7A空间环境模拟器是国内最大的卧式空间环境模拟器，在其系统网络设计中采用了链路聚合控制协议，通过堆叠网络的连接方式搭建了一套高稳定性的网络架构[1]，对关键节点设备和关键链路进行冗余备份[2]。该网络架构相对于目前大多空间环境模拟器采用的单线路以太网或者环形以太网的网络架构，具有更高的链路冗余能力[3]，在单链路失效时不会影响数据通信，并且增强了设备带宽，提高了数据传输链路的稳定性以及故障容错性。

1 堆叠网络

堆叠技术较多应用于以太网交换机的扩展端口，是一种非标准化的技术。堆叠模式为各厂商制定，各个厂商之间不支持混合堆叠和拓扑结构。堆叠技术的最大优点就是提供简化的本地管理，即设置1个主设备或逻辑主设备（即交换机优先级），使用专门的连接线，通过专用端口将连接后的多个交换机视为一个逻辑整体来使用和管理[4]。交换机的堆叠模式主要有菊花链堆叠模式和星形堆叠模式。菊花链堆叠模式利用专用的堆叠电缆，将多台交换机以环路方式串接成1个交换机堆叠组，如图1所示。星形堆叠模式要求主交换机有足够的背板带宽，并且有多个堆叠模块，通过高速堆叠电缆将交换机的内部总线连接成为1条高速链路[4]，如图2所示。另外，堆叠网络相对于级联网络的优点是不会产生性能瓶颈，能提供高密度的集中网络端口，堆叠后的设备在网络管理过程中就变成了1个网络设备，只需要赋予1个IP地址，方便设备管理。

图1 菊花链堆叠模式Fig.1 The daisy-chain stacking network

图2 星形堆叠模式Fig.2 The star stacking network

2 链路聚合控制协议（LACP）

链路聚合控制协议（link aggregation control protocol, LACP）亦称主干（trunking）或捆绑（bonding）技术，是在以太网基础上发展出的一种扩展网络带宽、增强网络稳定性的技术[5]。

链路聚合就是将 2个或者更多的数据信道聚合成1个带宽成倍增加的单个信道。链路聚合一般用来连接1个或多个带宽需求大的设备，例如连接骨干网络的服务器或者服务器群。聚合在一起的物理链路的条数还可以根据业务的带宽需求来配置。配置后的逻辑链路的带宽等于被聚合在一起的多条物理链路的带宽之和[6]。因此链路聚合具有成本低、配置灵活的优点[7]，此外，链路聚合还提供了链路冗余备份的功能，聚合后的链路彼此动态备份，具有较高的可靠性和容错能力，只要其中的1条物理链路正常，聚合链路就能工作，还可以实现负载均衡[8]。

3 KM7A空间环境模拟器的网络架构设计

KM7A空间环境模拟器的网络采用菊花链堆叠模式，可分为核心层和接入层2层结构[9]。其中，核心层为 2台相同的三层交换机 WS-C3750X-48T-E，由于系统网络不需要进行分布式布置，故对于这种高密度端口需求的单节点架构选择以菊花链方式进行堆叠连接；接入层由若干 WSC2960S-24TS-S和 WS-C2960S-24TS-L交换机组成，其中4台WS-C2960S-24TS-L堆叠交换机两两堆叠，每组各2台以菊花链的方式进行堆叠连接，出2根网线连接到三层交换机。堆叠交换机成本较高，因此只选取关键设备接入堆叠交换机中，其余设备接入另外10余台不带堆叠模块的交换机中进行本机链路聚合，也出 2根网线连接到三层交换机，并通过聚合链路与核心交换机相连。KM7A空间环境模拟器星形网络架构以 WS-C3750X-48T-E三层交换机作为核心交换机，WS-C2960S-24TS-S和WS-C2960S-24TS-L交换机作为接入交换机，如图3所示。

图3 空间环境模拟器星形网络架构Fig.3 The framework of star network for space environmental simulator

KM7A的试验测控系统包括14台电源机柜和2台数据采集机柜。其中，每台电源机柜有 2个WS-C2960S-24TS-S交换机，共计28个交换机；2台数据采集机柜共3个WS-C2960S-24TS-S交换机。试验测控系统交换机分布拓扑如图4所示。对机柜里的每个交换机进行链路聚合设置，采用本机聚合[10]方式出2根网线（图4中红线接入1#3750交换机，黑线接入2#3750交换机）连接至三层交换机 WS-C3750X-48T-E，在单根网线发生意外掉线的情况时不会对试验造成影响，增强了系统的安全性。

图4 试验测控系统交换机分布拓扑Fig.4 The switch’s distribution topology for the test control system

KM7A的设备测控系统包括12台电脑、3台打印机、7台服务器以及硬盘录相机、四级质谱仪等相关设备，通过4台带堆叠模块的WS- C2960S-24TS-L二级交换机和 5台不带堆叠模块的 WSC2960S-24TS-S二级交换机进行级联，连接到WSC3750X-48T-E三层交换机上。设备测控系统交换机分布拓扑如图5所示。其中，每台堆叠交换机只需要1根网线接入其中1台三层交换机，不带堆叠模块的二级交换机通过本机聚合的方式出 2根网线（图5中红线接入 1#3750交换机，黑线接入2#3750交换机）连接至三层交换机。

图5 设备测控系统交换机分布拓扑Fig.5 The switch’s distribution topology for the equipment control system

4 链路聚合冗余网络测试与应用

为了对KM7A空间环境模拟器网络的关键技术可行性进行验证，在整个系统搭建前先进行模拟网络测试，检验整个系统的冗余性。通过对实物搭建系统的模拟使用，预知项目实施时可能出现的难点，补足规划时遗漏的部分[11]。本次主要测试KM7A综合网络环境堆叠模式下的聚合链路冗余性，通过模拟通信链路故障来检验堆叠网络的安全性及可靠性。

4.1 堆叠模式下聚合链路冗余性测试

采用2台WS-C3750X-48T-E、2台WS-C2960S-24TS-L、堆叠模块、1台双网口计算机及网线若干进行堆叠模式下的聚合链路冗余性测试。2台WS-C3750X-48T-E利用自带堆叠线缆和带有堆叠模块的2台WS-C2960S-24TS-L分别完成菊花链式堆叠。从管理逻辑上形成2组设备，分别命名为3750组及2960组，组内组员分别命名为3750A、3750B、2960A、2960B。在每台物理设备中选取1个物理端口，将3750A的1个端口与3750B的1个端口进行聚合，启用链路聚合控制协议（LACP）。2960A的端口与 2960B的端口进行聚合，并通过网线将3750组与2960组启用LACP的端口进行连接。堆叠模式下聚合链路冗余测试系统架构如图6所示。WS-C3750X-48T-E为三层交换机，对启用 LACP协议的端口组配置IP地址，作为接入PC网关，接入PC通过双链路连接至另一个2960端口组，正常状态下接入交换机常Ping网关，无丢包现象，则完成基本测试环境网络搭建。

图6 堆叠模式下聚合链路冗余测试系统架构Fig.6 The framework of LACP redundant test based on stacking network

交换机设置完成后，通过博通网卡软件对计算机双网口进行设置，合并为Team网络连接，网卡线路速度增倍，由原来单网卡的 1 Gbit/s变为2 Gbit/s。

网络搭建完成后，进行故障测试，拔除3750组与2960组之间的任意1根连线，通过Ping指令，如果数据包丢失数量≤1，则表示测试成功；将测试电脑接入2960组另一物理交换机，重复模拟。

测试结果表明：当断开1条链路后，丢失1个数据包，并且线路速度从2 Gbit/s降至1 Gbit/s；当网线线路恢复时，对链路没有任何影响，线路速度恢复为2 Gbit/s。带堆叠模块的交换机WS-C2960S-24TS-L通过聚合链路连接到三层交换机上，避免了单台交换机出现故障或者单根网线意外掉线对试验造成影响。

4.2 非堆叠模式下聚合链路冗余性测试

根据图7进行物理环境搭建，非堆叠2960交换机通过本机2端口聚合链路模式分别与2台3750交换机的聚合端口组相连。

图7 非堆叠模式下聚合链路冗余测试系统架构图Fig.7 The framework of redundant test for LACP based on non-stacking network

网络搭建完成后进行故障测试：拔除3750组与非堆叠2960交换机之间的任意1根连线，通过Ping指令，当断开1条链路后，丢失1个数据包，并且线路速度从2 Gbit/s降至1 Gbit/s；当网线线路恢复时，对链路没有任何影响，线路速度恢复为2 Gbit/s。这表明非堆叠模式下的链路冗余性可以避免单根网线意外掉线对试验造成影响的状况出现。

4.3 KM7A跨网段互通测试

根据图7搭建的测试环境，接入电脑模拟最终用户，将2台WS-C2960S-24TS-S交换机划分至不同VLAN，分别为VLAN10、VLAN20。VLAN10的 IP地址设为 10.70.69.254，VLAN20的设为192.168.0.254，网关均设置为255.255.255.0。电脑常Ping核心交换机网关进行测试，结果表明可以实现跨网段互通。

5 结束语

KM7A空间环境模拟器已经完成了多个型号卫星的热真空试验，基于LACP的堆叠网络通过了现场应用的实际考验，实现了关键设备和数据链路的冗余，大大缩短了主/备试验网络数据链路的切换时间，增强了系统网络的稳定性，达到了预期的设计目标。本文提出的基于LACP协议的堆叠网络设计方法可为以后的空间环境模拟器网络建设提供新方法，在空间环境模拟器网络管理和维护中具实际应用意义。

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（编辑：冯露漪）

Design and application of stacking network based on LACP

NING Juan, QIU Yichang, SHAO Jingyi, LIU Gaotong, WANG Yu
(Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

This paper presents the network architecture of KM7A, which is the largest horizontal space environment simulator in China.The stacking network and the LACP (link aggregation control protocol) are applied in this network.All pivotal equipment are channel bonded via the LACP to realize the redundancy of the key equipment and the data channel, to reduce the switching time of the data channel for the active-standby test network, to avoid the single-link failure, and to advance the stability and fault tolerance of the data transmission link.

stacking network; LACP; space environment simulator

TP393.09

：A

：1673-1379(2016)06-0664-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.06.016

宁 娟（1984—），女，硕士学位，主要从事空间环境模拟器测控系统软件设计工作。E-mail: ningjuan_buaa_ee@126.com。

2016-04-27；

：2016-12-14