1前言
学术?建设园地
综述与交流
论高可用性网络的设计与实现
摘要：高可用性网络是利用网络冗余，容错，容灾，备份，负载平衡等各种技术手段，实现网络通信和服务的持
超材料天线续可用，在关键的网络业务系统中具有相当重要的作用.本文是作者通过深入分析影响网络可靠性和可用性的
风险因素，详细论述了高可用性网络的思路和方法，对承载关键业务应用的网络系统设计具有一定的现实和指
导意义.
关键词：网络；高可用性组网远程压力表
最近十多年来，计算机网络通信技术得到了高速的发展,
网络通信技术的发展经历了发展，成熟和提高等复杂过程，网
络应用已经深入到政府，各种企事业单位，甚至进入了寻常家
庭.
陆正方
随着应用的深入，网络通信与传统业务之间的相关性越来
越深和越来越广，并且越来越多传统的关键业务(或事务)需要
依赖于网络，而由于业务本身的关键性，也就提升了承载这种
业务的网络的关键性和重要性，也就是说对网络本身的可靠
性，可用性，持续提供通信服务的能力提出了高要求.既然有了
这样的需求，研究，论述高可用性网络的设计和组建就具有现
实意义.本论文正是以此为出发点，对应用最多，最广泛的基于
以太网技术的高可用性局域网的设计和组建进行研究，在分析
相关技术的基础上，提出高可用性网络的设计思路和实现方
法.
1.1高可用性网络概述
高可用性网络是指具有高可靠性和高可用性的，具有持续
提供通信服务的能力的通信网络，其特点是:
《1)分散设备失效风险，重要设备或模块冗余配置，能应付 胃电图仪
单端口，单模块乃至单设备失效造成的整个或大面积网络通信中断:(2)分散通信链路失效风险，对于骨干或重要链路配置多 链路或冗余链路，能避免单链路失效造成的整个或大面积网络通信中断;
(3)具有多通信路径，故障时具有自动重新选择路径的能
力:
(4)伴随着高可用性，这种网络较普通网络往往具有高性
能的特点，这种性能的提高来自于设备，链路配置的增加，如果增加的设备仅仅是作为备用，那么性能就不会有提高，但是现实应用中增加的设备通常也具有同时工作的特点，具有复杂分担或负责平衡的能力，这就提高了整个网络系统的性能.
1-2高可用性网络现状分析
近年来，网络通信技术的发展经历了快速发展，成熟和更
加关注应用的一系列过程，网络通信技术的应用与许多政府, 企事业单位的关键业务的相关性越来越密切，并且这种相关性正在往深度和广度方向不断延伸.
2高可用性网络需求分析及设计思路
高可用性网络的设计应该以深入分析各构成要素的故障
风险为出发点，以冗余，备份，多路径选择等手段提高网络各构成要素的可靠性和可用性，进而实现提高网络系统整体的可靠性，可用性乃至整体性能.
从大的方面来看，基于以太网技术的局域网的构成主要包
括以下两个主要的要素:
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(1)网络设备：包括网络交换机，路由器，集线器等，目前,
共享式的以太网已经逐渐遭到淘汰，取而代之的是性能更好的交换式以太网，而随着基于VLAN技术的网逻辑子网和IP网段划分需求的出现，很多局域网交换设备已经集成了路由功能,
即所谓的三层或多层交换.
(2)网络通信链路：过去同轴电缆被广泛用于总线共享式
的以太网中，而今天，双绞线和光纤已经成为最常用的网络传
输介质.
3高可用性网络的设计和实现
3.1设备配置冗余
对网络的核心设备或重要设备在配置上采用冗余配置是实
现网络高可用性的重要手段，也是接下来所要探讨的诸如采用链路冗余，多链路聚集，路由冗余等措施实现网络高可用性的
前提条件.例如，链路冗余或者多链路聚集需要在设备上配有
冗余的网络端口才可能得以实现.而网络路由的冗余，则需要
安永宁在网络中配置至少两台以上的路由设备(路由设备冗余)才有
可能得以实现.
3-2链路冗余
3.2.1利用生成树协议实现链路冗余
生成树协议本身是为解决以太网中的环路而提出来的，在
以太网中一旦网络存在环路就会造成报文在环路内不断循环和增生，甚至造成"广播风暴"，从而导致网络的瘫痪.
(1)生成树协议STP(SpanningTreeProtocoI)
STP协议的基本思想十分简单.大家知道，自然界中生长
的树是不会出现环路的，如果网络也能够像一棵树一样生长就不会出现环路.于是,STP协议中定义了根桥(RootBridge)，根
端口(RootPort)，指定端口(DesignatedPort)，路径开销(Path Cost)等概念，目的就在于通过构造一棵自然树的方法达到裁
剪冗余环路的目的，同时实现链路备份和路径最优化.用于构
造这棵树的算法称为生成树算法SPA(SpanningTreeAlgo—
rithm).
要实现这些功能，网桥之间必须要进行一些信息的交流，这
些信息交流单元就称为配置消息BPDU(BridgeProtocolData UnitoSTPBPDU是一种二层报文，目的MAC是多播地址
01—80一C2一O0一O0一O0，所有支持STP协议的网桥都会接收并处理收到的BPDU报文.该报文的数据区里携带了用于生成树
计算的所有有用信息.
生成树协议的工作过程首先进行根桥的选举.选举的依据
是网桥优先级和网桥MAC地址组合成的桥ID(BridgeID)，桥
lD最小的网桥将成为网络中的根桥.在图1所示的网络中，各
网桥都以默认配置启动，在网桥优先级都一样(默认优先级是
32768)的情况下,MAC地址最小的网桥成为根桥，例如图1中
的SW1，它的所有端口的角都成为指定端口，进入转发状态.
接下来，其他网桥将各自选择一条"最粗壮"的树枝作为到
广东科技200712总第176期
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专版I
图1生成树工作过程示意图
根桥的路径，相应端口的角就成为根端口.假设图1中SW2
和,sW2,SW3之间的链路是千兆GE链路,SW1和SW3之
间的链路是百兆FE链路,SW3从端口1到根桥的路径开销的
默认值是19，而从端口2经过SW2到根桥的路径开销是
4+4=8，所以端口2成为根端口，进入转发状态.同理,SW2的
端口2成为根端口，端口1成为指定端口，进入转发状态.
根桥和根端口都确定之后一棵树就生成了，如图中实线所
示.下面的任务是裁剪冗余的环路.这个工作是通过阻塞非根
桥上相应端口来实现的，例如SW3的端口1的角成为禁用端口，进入阻塞状态(图中用"x"表示).
生成树经过一段时间(默认值是30s左右)稳定之后，所有
端口要么进入转发状态，要么进入阻塞状态.STPBPDU仍然会定时从各个网桥的指定端口发出，以维护链路的状态.如果网络拓扑发生变化，生成树就会重新计算，端口状态也会随之改变.
(2)快速生成树协议RSTP(RapidSpanningTreeProto-
CO1)
STP协议给透明网桥带来了新生.但是，随着应用的深入宜昌人事局
和网络技术的发展，它的缺点在应用中也被暴露了出来.STP 协议的缺陷主要表现在收敛速度上.
为了解决STP协议的这个缺陷,lEEE推出了802.1W标
准，作为对802.1D标准的补充.在IEEE802.1W标准里定义
了快速生成树协议RSTP(RapidSpanningTreeProtoco1). RSTP协议在STP协议基础上做了三点重要改进，使得收敛速度快得多(最快1秒以内).
第一点改进：为根端口和指定端口设置了快速切换用的替
换端口(AlternatePort)和备份端口(BackupPort)两种角,
当根端口，指定端口失效的情况下，替换端口/备份端口就会
无时延地进入转发状态.图2中所有网桥都运行RSTP协议, SW1是根桥，假设SW2的端口1是根端口，端口2将能够识别这种拓扑结构，成为根端口的替换端口，进入阻塞状态.当端口1所在链路失效的情况下，端口2就能够立即进入转发状态，无需等待两倍ForwardDelay时间.
图2KS33~冗余链路快速切换示意图
第二点改进：在只连接了两个交换端口的点对点链路中,
指定端口只需与下游网桥进行一次握手就可以无时延地进入转发状态.如果是连接了三个以上网桥的共享链路，下游网桥
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