思科交换产品

Cisco StackWise 和 StackWise Plus 技术

Cisco StackWise 和 StackWise Plus 技术

本白皮书简要介绍 Cisco® StackWise® 和 Cisco StackWise Plus 技术,以及它们通过将多个固定配置的交换机链接在一起来创建一体化逻辑交换架构的特定机制。本白皮书将重点介绍 Cisco StackWise 和 Cisco StackWise Plus 技术的以下主要领域:堆叠互联方式及堆叠的创建和修改;L2 和 L3 转发;服务质量(QoS)机制。

本书旨在帮助读者了解 Cisco StackWise 和 StackWise Plus 技术如何为音频、视频和千兆以太网应用提供高级性能。白皮书在一开始将讨论 Cisco Catalyst® 3750 系列交换机和 StackWise,然后讨论 Cisco Catalyst 3750-E 系列交换机和 StackWise Plus,讨论的重点是二者间的区别。请注意,Cisco Catalyst 3750-E 只有在连接全部由 Cisco Catalyst 3750-E 交换机组成的堆叠时,才运行 StackWise Plus;如果堆叠中包括一个或多个 Cisco Catalyst 3750,它将运行 StackWise。(见图1和2)

图1. 采用 StackWise 技术的 Cisco Catalyst 3750 系列交换机堆叠



图2. 同时采用 StackWise 和 StackWise Plus 技术的 Cisco Catalyst 3750-E 系列交换机堆叠

技术概述

Cisco StackWise 技术为统一利用交换机堆叠的功能提供了创新方法。单个交换机能够以 32-Gbps 交换堆叠互联的方式智能地加入堆叠,构成其中的一个交换单元。配置和路由信息在堆叠中的所有交换机之间共享,使整个堆叠看上去就像一个交换单元一样。您能向使用中的堆叠添加或从中删除交换机,不会影响性能。

堆叠中的交换机通过能够创建双向封闭路径的特殊堆叠互联线缆组成一个逻辑单元。这条双向路径相当于是面向所有互联交换机的交换矩阵。您可通过堆叠互联来持续更新网络拓扑和路由信息。堆叠中的所有成员都可全面访问堆叠互联带宽。堆叠作为一个单元由主交换机管理,主交换机是从所有堆叠成员中选举产生的一个交换机。

堆叠中的每个交换机都有资格成为层级结构中的主交换机或附属交换机(成员)。主交换机是选举产生的,是整个堆叠的控制中心。主交换机和附属交换机都可用作转发处理器。每个交换机都有自己的编号。堆叠中最多可容纳九个单独的交换机,您可向堆叠中添加或从中删除交换机,不会影响性能。

Cisco Catalyst 3750 系列交换机的每个堆叠都带有一个 IP 地址,并作为一个对象被管理。这种单一的 IP 管理方法适用于故障检测、虚拟 LAN (VLAN) 的创建和修改、安全性及 QoS 控制等活动。每个堆叠只有一个配置文件,分发给堆叠中的所有成员共享,从而使每个交换机都能共享相同的网络拓扑、MAC 地址和路由信息。此外,这种做法还在主交换机故障时允许任何成员成为主交换机。

堆叠互联功能

Cisco StackWise 技术最多支持使用特殊的堆叠互联线缆和堆叠软件将九个单独的 Cisco Catalyst 3750 交换机互联成一个逻辑单元。整个堆叠作为一个交换单元运行,由从所有成员交换机中间选举产生的一个主交换机负责管理。主交换机可自动创建并更新所有的交换表及可选路由表。运行中的堆叠可接纳新成员或删除老成员,不会造成服务中断。

双向流

为了有效地实现流量负载均衡,数据包在两条逻辑计数器循环路径之间分配。每条计数器循环路径都支持双向的 16 Gbps,在两个方向共生成 32 Gbps 的流量。出口队列负责计算路径利用率以帮助确保流量负载的平均分配。

只要帧为在路径上传输做好准备,系统便开始计算,以查看哪条路径上的可用带宽更多,然后将整个帧分配给这条路径。系统对流量的处理取决于其服务类别(CoS)或差分服务码点(DSCP)的分配情况。低时延的流量通常可分配到高优先级。

当检测出线缆故障时,流量将即刻被切换到另一条16-Gbps 路径,以便继续转发。

在线堆叠添加和删除

您可向运行中的堆叠添加交换机或从中删除交换机,不会影响性能。当添加了新交换机时,主交换机将通过正在使用的 Cisco IOS® 软件版本和堆叠配置来自动配置这个单元。堆叠在发现新地址后将收集交换表等信息并更新 MAC 表。网络管理员无需动手,交换机便可自动运行。此外,您也能从运行中的堆叠中删除交换机,这对其它交换机不会产生任何硬性影响。当堆叠发现有些端口消失后,将更新这个信息,不会影响流量的转发和路由。

有序的物理链接

交换机从物理上有序链接在一起,如图3所示。任何一根线缆发生故障都将把堆叠的可用带宽减少一半。一秒内时钟机制允许及时检测出流量问题并即刻进行故障切换。这种方法允许在时钟机制检测出线缆恢复正常后迅速恢复双向传输。

图3. Cisco StackWise 技术的永续性布线图

一秒内故障切换

在一条路径中断的几微秒内,所有数据均切换到剩下的一条有效路径中(图4)。

图4. 线缆中断后的环回



交换机持续地监视堆叠端口的活动,查看其能否正常传输数据。如果错误超过了既定的阈值,或者线缆与接口之间出现了电磁接触不良的现象,交换机将能够即刻检测出来,并向中断路径对面的最近的邻点发送消息。随后,两个交换机将把它们的流量全部切换到有效的路径中。

管理一个 IP 地址

作为最初配置的一部分,堆叠会分配到一个 IP 地址。在堆叠的 IP 地址创建之后,与堆叠链接的物理交换机将成为主交换机组的成员。与组连接后,每个交换机都将使用这个堆叠的 IP 地址。当新的主交换机选举产生后,它将使用这个 IP 地址继续与网络互动。

堆叠的创建和修改

当单个交换机通过堆叠线缆互联在一起时,就创建了一个堆叠。当堆叠端口检测到交换机的存在时,每个端口都开始传输关于其交换机的信息。当检测到一组完整的交换机时,堆叠便选举出一个交换机作为主交换机,负责维护和更新配置文件、路由信息和其它堆叠信息。整个堆叠中的所有交换机共享一个 IP 地址。

1:N 主交换机冗余

1:N 主交换机冗余使堆叠中的每个交换机都可能成为主交换机,从而为流量转发提供最高的可靠性保证。堆叠中的每个交换机都可用作主交换机,创建了 1:N 可用性模式,便于网络控制。当一个交换机发生故障时,所有其它的交换机仍可继续转发流量并保持运行。

主交换机的选举

堆叠作为一个交换单元运行,由选举产生的主交换机负责管理。主交换机可自动创建并更新所有的交换表及可选路由表。堆叠中的任何成员都可能成为主交换机。堆叠安装后,或在整个堆叠重启后,将在所有的交换机中间进行选举。选举标准如下。

  1. 用户优先级— 网络管理员可选出主交换机。
  2. 硬件和软件优先级— 根据默认设置,特性最全面的交换机将成为主交换机。高级 IP 服务 IPv6 (AIPv6)软件版本的 Cisco Catalyst 3750 交换机优先级最高,其次是增强型多层软件版本(EMI),然后是标准的多层软件版本(SMI)。
  3. 默认配置— 如果交换机预先存在配置信息,则它的优先级高于尚未配置的交换机。
  4. 运行时间— 运行时间最长的交换机当选为主交换机。
  5. MAC 地址— 每个交换机都向所有的邻点报告其 MAC 地址以便进行比较。MAC 地址最低的交换机当选。

主交换机的活动

主交换机是 IP 功能的主要联系点,如远程登录会话、pings、命令行接口(CLI) 和路由信息交换等。主交换机负责为每个附属交换机下载转发表。组播和单播路由任务均由主交换机执行。QoS 和访问控制表(ACL)的配置信息由主交换机分配给其附属成员。当新的附属交换机添加到堆叠时,或者现有交换机被删除时,主交换机都将发送事件通知,所有附属成员都将据此更新它们的表。

共享网络拓扑信息

主交换机负责收集并维护正确的路由和配置信息。并通过定期向堆叠中的附属交换机发送拷贝或更新来保证信息的时新性。当主交换机选举产生后,它将重新运行原主交换机的配置,以帮助确保用户和网络的连续性。请注意,路由控制和处理任务均由主交换机执行。堆叠中的其它交换机将基于主交换机分发的信息执行转发任务。

附属交换机的活动

每个交换机都带有用于保存自己本地 MAC 地址的表以及堆叠中其它交换机 的MAC 地址表。主交换机保持堆叠中报告的所有 MAC 地址表。主交换机还创建整个堆叠中所有的 MAC 地址汇总图并将其发送给所有的附属交换机,使每个交换机都能了解堆叠中所有其它交换机的情况,从而避免重复的地址学习流程,并为系统创建了速度更快、效率更高的交换基础设施。

附属交换机针对它们支持的每个 VLAN 维护自己的生成树。StackWise 环行端口的状态永远不会是“生成树协议受阻”。主交换机保留堆叠中面向每个 VLAN 的所有生成树的拷贝。当添加新 VLAN 或删除旧VLAN 时,所有的现有交换机都将接到事件通知并据此更新它们的表。

附属交换机等待接收主交换机发送的有效配置的拷贝,并在接到最新信息后开始传输数据。这种做法可确保所有交换机都只使用最新信息并且只基于一个网络拓扑作出转发决策。

多种高可用性机制

Cisco StackWise 技术支持通过多种机制来创建高永续性的堆叠。

  • CrossStack EtherChannel®技术——堆叠中的多个交换机都可创建以太网通道连接。一个交换机发生故障不会影响其它交换机的连接。
  • 等成本路由——交换机为不同路由器提供双归支持,用于冗余。
  • 1:N 主交换机冗余——堆叠中的每个交换机都可用作主交换机。如果当时的主交换机发生故障,另一个主交换机随即选举产生。
  • 堆叠线缆永续性——当双向环路中发生中断时,交换机可自动通过另一半有效环路发送消息。如果全部的 32 Gbps 带宽均被耗用,QoS 机制将控制流量传输,让抖动和时延敏感型流量优先通行,同时抑制低优先级流量的传输。
  • 在线添加和删除——添加和删除交换机不会影响整个堆叠的性能。
  • 分布式 L2 转发——当主交换机发生故障时,其它交换机都可基于主交换机最近为它们发送的表继续转发信息。
  • 面向 L3 永续性的 RPR+——每个交换机都经过初始化处理,以提供路由功能并准备好在当前主交换机故障时随时担当起主交换机的责任。附属交换机不会重启,因此L2 转发可以不受影响地继续进行。如果堆叠中存在两个或多个节点,还支持 L3 不间断转发(NSF)。

L2 和 L3 转发

Cisco StackWise 技术为管理 L2 和 L3 转发提供创新方法。L2 转发采用分布式方法。L3 转发采用集中方法,可确保尽量提高堆叠中路由和交换活动的永续性和效率。

主交换机变更期间的转发永续性

在主交换机变更期间,堆叠继续运行,L2 连接不受任何影响。新产生的主交换机使用其热备份单播表来继续处理单播流量,同时刷新并重新装载组播表和路由表,以避免生成环路。L3 永续性由 NSF 提供保护,NSF 允许在新旧主节点之间快速平滑地切换 L3 转发功能。

Routing Processor Redundancy+ 创建高可用性架构,支持路由永续性

主交换机变更期间用于确保路由高可用性的机制名为 Routing Processor Redundancy+ (RPR+)。Cisco 12000 和 7500 系列路由器及 Cisco Catalyst 6500 系列交换机产品都使用 RPR+ 来确保高可用性。提供路由功能的每个附属交换机都经过初始化处理,随时准备接替主路由器提供路由功能。堆叠中的每个附属交换机都经过全面的初始化处理并与主交换机相连接。附属交换机使用完全相同的接口地址、封装类型以及接口协议和服务。附属交换机能够持续接收并集成主交换机发送的同步配置信息,同时通过持续自检对自己的运行就绪性进行自我监控。由于节省了路由接口初始化时间,因此,重新建立路由和链路的速度要比普通的 L3 设备快很多。RPR+ 与 NSF 的组合可提供最高的故障切换转发性能。

添加新交换机

当交换堆叠选出主交换机后,随后添加的任何交换机都自动成为附属交换机。主交换机应将最新的路由和寻址信息全部下载给新的附属交换机,以便它即刻开始传输流量。此时,新交换机的端口将与主交换机使用相同的 IP 地址。此外,主交换机还应将 QoS 配置等全局信息下载给新成员。

必须使用完全相同的 Cisco IOS 软件版本

Cisco StackWise 技术要求堆叠中的所有交换机都使用同一个版本的 Cisco IOS 软件。在您第一次构建堆叠时,我们建议所有堆叠成员都使用相同级别的软件 – 全 SMI、全 EMI 或全 AIPv6。这是因为随后的Cisco IOS 软件升级要求将所有交换机的软件版本都升级成主交换机版本。

主交换机自动执行 Cisco IOS 软件升级/降级任务

如有新交换机添加到现有堆叠中,主交换机将与之通信,以查看它所使用的 Cisco IOS 软件版本与堆叠使用的软件版本是否一致。如果是相同的,主交换机将向这个设备发送堆叠配置信息并在线提供端口。如果Cisco IOS软件版本不相同,将出现以下三种情况之一:

  1. 如果堆叠运行的 Cisco IOS 软件版本支持新交换机的硬件,根据默认设置,主交换机将把保存在闪存中的 Cisco IOS 软件下载给新交换机、发送堆叠配置信息并允许新交换机在线运行。
  2. 如果堆叠运行的 Cisco IOS 软件版本支持新交换机的硬件,且用户已经为 Cisco IOS 软件版本下载配置好了普通文件传输协议(TFTP)服务器,则主交换机将自动把 Cisco IOS 软件版本从 TFTP 服务器下载到新交换机,并在配置后使新交换机在线运行。
  3. 如果堆叠运行的 Cisco IOS 软件版本不支持新交换机的硬件,主交换机将把新交换机放置到暂停状态中,通知用户存在版本不兼容问题,并等待用户对主交换机的 Cisco IOS 软件版本进行升级,以便同时支持两类硬件。升级完成后,主交换机将把堆叠中其它的交换机升级到这个软件版本,包括新交换机,并使整个堆叠在线运行。

升级堆叠中的所有交换机

由于交换机堆叠作为一个单元运行,因此,您可同时升级堆叠中的所有交换机。这意味着如果最初的堆叠中不同交换机包含了各类的 AIPv6、EMI 和 SMI 功能,当您第一次升级 Cisco IOS 软件时,堆叠中的所有交换机都将具有升级版本的特征。这种做法虽然对于向堆叠中添加功能行之有效,但您必须确保已购买了所有必需的升级许可,然后才能将交换机从 SMI 升级到 EMI 或 AIPv6 功能。否则将触犯 Cisco IOS 软件的许可制度。

智能单播和组播 — 将一个数据包传输至多个目的地

Cisco StackWise 技术使用极为高效的单播和组播流量传输机制,每个数据包只允许在堆叠互联上传输一次,包括组播数据包。每个数据包带有一个 24 字节的报头,其中包含一个同时用于数据包和 QoS 标识符的活动列表。活动列表规定端口的一个或多个目的地以及允许的数据包操作。对于组播,主交换机将识别哪些端口允许接收数据包拷贝,并为每个端口添加目的地索引。主交换机将数据包的一个拷贝放置到堆叠互联上,然后由带有一个目的地索引地址的交换机端口拷贝这个数据包。这种做法将为堆叠接收和管理组播信息创建极为高效的机制(图5)。

图5. 比较可堆叠交换机中的普通组播与使用 Cisco StackWise 技术的Cisco Catalyst 3750 系列交换机中的智能组播

QoS 机制

QoS 为用户访问网络提供细粒度的控制。这对迁移到融合应用的网络尤其重要,在此类网络中,对信息进行区分处理至关重要。QoS 也是迁移到千兆以太网速度的必须工具,可帮助避免拥塞。

QoS 可应用到网络边缘

图6. QoS摸型

Cisco Catalyst 3750-E 和 Cisco Catalyst 3750 都支持 2 个入口队列和 4 个出口队列。因此,Cisco Catalyst 3750-E 和 Cisco Catalyst 3750 交换机不仅能够将流量的目的地限定在前端端口,而且还能限制以堆叠环路互联为目的地的流量的数量和类型。您能够对入口和出口队列进行配置,使一个队列成为高优先级队列,提前于其它的加权队列得到优先处理。或者,您也能将每组队列都配置成加权队列。

StackWise 采用整形循环(SRR)。SRR 是一项调度服务,用于规定数据包出列速度。SRR 支持两种模式:整形和共享(默认)。整形模式只适用于出口队列。整形后的出口队列预留一系列端口带宽,然后将它们平均分配给数据包。共享的出口队列能够保证将带宽配置成共享,但不预留任何带宽。也就是说,在共享模式中,如果高优先级队列是空的,则低优先级的队列将使用未用带宽,而不是白白浪费掉预留的带宽。整形SRR 和共享 SRR 不分高下。如果您希望充分利用排队系统,可选择共享 SRR,因为共享 SRR 允许拥有过多流量的队列使用未用的队列时隙,这在标准的加权循环(WRR)中是不可能实现的。如果您希望整形队列或对队列允许使用的带宽量设置硬性规定,可使用整形 SRR。当使用整形 SRR 时,您可在端口总的整形速率范围内再对各队列进行整形。除队列整形外,Cisco Catalyst 3750-E 还能限制物理端口的速度,从而允许您在端口限速范围内整形队列。

如上所述,SRR 有别于 WRR。在图8的示例中,我们并未配置严格的优先级排队,我们为 Q4 分配了最高的加权数、其次分别是 Q3、Q2 和 Q1。WRR 机制要求基于加权数为队列提供服务。Q1 的服务期是加权数为 1 的时段,Q2 的服务期是加权数为 2 的时段,依此类推。服务机制是基于队列的加权时间值逐个队列地服务。SRR 也支持加权,服务顺序是 Q1- Q2-Q3-Q4,但是服务方式有所不同。SRR 不会依据队列的加权时间值在每个队列停留和服务,而是在队列之间快速通过,但却不一定为其经过的全部队列提供服务。在每次通过时,加权值更高的队列,其得到服务的几率要高于加权值较低的队列。在一段时间内,每个队列中接受 SRR 和 WRR 服务的数据包的数量是相同的。然而,顺序不同。使用 SRR 时,流量处理顺序不分先后。使用 WRR 时,Q1 中首先有大量数据包得到处理,然后是 Q2…等等。 SRR 对数据包进行加权交织处理。在图7中,WRR 首先处理标记为 1 的所有数据包,然后依次是2、3、4、5;而SRR 则按 A、B、C、D 的顺序处理数据包。SRR 是 WRR 的演进版本,通过更为平缓的循环机制防止因流量突发导致缓冲器超载。

图 7. 排队

除了先进的队列服务机制外,该产品还支持拥塞避免机制。您能够对所有的入口和出口应用加权尾部丢弃(WTD)机制。WTD 是避免拥塞的机制,用于管理队列的长度并为不同类型的流量应用不同的尾部丢弃顺序。可配置的阈值可用于决定何时丢弃哪类数据包。阈值的配置可基于 CoS 或 DSCP 值。当队列将满时,低优先级的数据包首先将被丢弃。例如,您可将 WTD 配置成当队列使用率达 60% 时、丢弃从 CoS 0 到 CoS 5 的数据包。此外,您也可为每个队列设置多个阈值和级别。

巨型帧支持

Cisco StackWise 技术在 10/100/1000铜线端口上支持细粒度的最大达9 KB的巨型帧进行 L2 转发。Cisco Catalyst 3750 不支持巨型帧的 L3 转发,但 Cisco Catalyst 3750-E 支持巨型帧的 L3 转发。

智能 VLAN

VLAN 的运行与组播运行相同。当主交换机检测到发送至多个 VLAN 的数据包时,它将创建带有多个目的地地址的数据包的一个拷贝,从而允许最高效地使用堆叠互联(图8)。

图8. 智能 VLAN 的运行图

跨堆叠的以太网通道连接

由于堆叠中的所有端口都作为一个逻辑单元运行,因此,以太网通道技术适用于堆叠中的多个物理单元。Cisco IOS 软件可将堆叠中任何交换机提供的最多 8 个单独的物理端口汇聚到一条逻辑通道上行链路中。每个堆叠最多支持 12 组以太网通道。

StackWise Plus

StackWise Plus 是 StackWise 的演进版本。StackWise Plus 只在 Cisco Catalyst 3750-E系列交换机上支持。StackWise Plus 与 StackWise 的两个主要区别如下:

  1. 对于单播数据包,StackWise Plus 支持目的地剥离,而 StackWise 支持源剥离。图 9 显示了正在从交换机1发送至交换机2的数据包。StackWise 使用源剥离,StackWise Plus 使用目的地剥离。源剥离意味着当在环路上发送数据包时,数据包将被发送至目的地,目的地在复制数据包后,命令数据包绕行整条环路向回传输。当数据包返回源地址时,将从环路上剥离。这意味着耗尽整条环路上的带宽,即便数据包被发送至直接连接的邻点也不例外。目的地剥离意味着当数据包到达目的地时,将被从环路中清除,不再进行任何传输,从而将其余的环路带宽用于其它传输。因此,整个堆叠的吞吐量性能在双向基础上将至少增加至 64 Gbps。这种释放带宽的能力有时称为空间复用。请注意:即便是在 StackWise Plus 环境中,由于数据包在堆叠中针对多个目的地进行传输,因此广播和组播数据包也必须使用源剥离机制。

    图9. 剥离

  2. StackWise Plus 可执行本地交换。StackWise 不具备这个功能。此外,由于 StackWise 不支持本地交换和源剥离,因此,即便是发送至本地的数据包也必须穿过堆叠的整条环路。(见图10)

    图10. 交换

  3. StackWise Plus 最多支持每个 Cisco Catalyst 3750-E 安装 2 个线速万兆以太网端口。

将 StackWise Plus 和 StackWise 结合应用到一个堆叠中

Cisco Catalyst 3750-E StackWise Plus 和 Cisco Catalyst 3750 StackWise 交换机能安装到一个堆叠中。这时,Cisco Catalyst 3750-E 交换机将放弃 StackWise Plus 模式,转而使用 StackWise 模式。也就是说,它们不再执行目的地剥离任务,然而仍可执行本地交换任务。

管理

使用 Cisco StackWise 和 StackWise Plus 技术的产品可由 CLI 或网络管理软件包进行管理。Cisco Cluster Management Suite (CMS) 软件专门为管理思科可堆叠的交换机而开发,为堆叠中的交换机提供特殊向导,允许网络经理通过同一个配置文件来配置堆叠中的所有端口。通过为数据、语音、视频、组播、安全性和 VLAN 间路由功能进行预定义的向导,网络经理能够同时设置所有端口的配置。

Cisco StackWise 和 StackWise Plus 技术也能够由 CiscoWorks 进行管理。

总结

Cisco StackWise 和 StackWise Plus 技术允许您增强网络边缘的永续性和通用性,以便支持高速融合应用。

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