李春平
(廣東白云學院大數(shù)據(jù)與計算機學院,廣州 510000)
HSRP(hot standby router protocol)即熱備份路由器協(xié)議,是思科專有協(xié)議,為IPv4 主機提供第一跳冗余。所謂第一跳冗余是指在末節(jié)網(wǎng)絡中為用戶主機提供網(wǎng)關冗余。HSRP 是實現(xiàn)第一跳冗余的專有協(xié)議,它的主要原理是將多個三層設備(路由器或三層交換機)關聯(lián)在一起組成一個虛擬的路由器,用虛擬路由器的IP 充當網(wǎng)關。當有數(shù)據(jù)包需要轉發(fā)時,活動的HSRP路由器將承擔路由轉發(fā)功能,向本地網(wǎng)絡中的用戶主機提供默認網(wǎng)關服務。如果活動路由器不能正常工作時,備用路由器將自動激活,接管活動路由器的角色,用戶不需要對主機進行任何配置更改。
在網(wǎng)絡中,鏈路上會承載不同的用戶、不同的業(yè)務、不同的工作任務形成的數(shù)據(jù)流量。負載均衡是將這些數(shù)據(jù)流量均攤到不同的鏈路單元上操作執(zhí)行,實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的協(xié)同處理,以此提高網(wǎng)絡承載能力,增加數(shù)據(jù)吞吐量,加快響應速度,增強網(wǎng)絡的靈活性和可用性。
在不同的RSTP 快速生成樹協(xié)議類型中,PVST+協(xié)議是思科專有協(xié)議,它支持在每個VLAN 上啟用RSTP,可以為不同的VLAN 組配置2個或更多根交換機,并利用冗余鏈路實現(xiàn)負載均衡。
以一個中小型局域網(wǎng)為例,該網(wǎng)絡按照典型的網(wǎng)絡設計原則進行分層。接入層交換機收集來自用戶終端的數(shù)據(jù)流量,并將響應數(shù)據(jù)流返回給用戶。中間通過匯集層交換機進一步匯聚流量,再往上通過核心層交換機連接到邊界路由器,邊界路由器通過Internet 接入網(wǎng)再連接到外網(wǎng)。中間的匯聚層由具有路由功能的三層交換機擔任數(shù)據(jù)流轉發(fā)任務。在匯聚交換機上,為了防止單點鏈路故障,配備了雙通道,即由兩臺三層交換機組成。同時,為了防止環(huán)路,需要啟用生成樹協(xié)議。雙通道中,采用HSRP熱備份協(xié)議實現(xiàn)冗余路由,為了提高鏈路利用率和數(shù)據(jù)同行效率,雙通道可同時工作,承擔數(shù)據(jù)流的傳輸,實現(xiàn)負載均衡。
網(wǎng)絡拓撲由3 臺三層交換機、1 臺路由器、1臺服務器、若干臺終端客戶機組成,采用以太網(wǎng)形式組網(wǎng)。拓撲設計如圖1所示。
圖1 網(wǎng)絡拓撲圖
根據(jù)網(wǎng)絡拓撲圖設計,參照各設備的鄰居關系,建立拓撲數(shù)據(jù)庫,如表1所示。
表1 拓撲數(shù)據(jù)庫
網(wǎng)絡中VLAN 規(guī)劃、RSTP 優(yōu)先級、HSRP參數(shù)及狀態(tài)如表2所示。
表2 VLAN規(guī)劃及相關參數(shù)
路由器及終端客戶機配置參數(shù)如表3所示。
表3 路由器及終端客戶機IP地址參數(shù)
2.1.1 VTP的作用
在大型的園區(qū)網(wǎng)中,網(wǎng)絡拓撲較為復雜,在進行網(wǎng)絡規(guī)劃時,需要將網(wǎng)絡進行邏輯分段,根據(jù)組織結構或不同功能需求劃分不同的VLAN,以方便網(wǎng)絡管理和提高網(wǎng)絡安全性。由于在接入層和匯聚層涉及到的交換機較多,如果在每臺設備上手工去劃分VLAN,不僅會給網(wǎng)絡工程師帶來工作量增加的困擾,同時也可能因配置錯誤,導致全網(wǎng)地址規(guī)劃一致性出現(xiàn)沖突。因此,在VLAN 配置時引入VTP 機制,可有效解決這一類問題。
VTP 可以實現(xiàn)VTP 域內(nèi)VLAN 的同步,以client-server 的模式工作。在服務器上配置的VLAN信息,可以完整地傳遞給VTP域內(nèi)的所有處于客戶機工作模式的交換機,從而減輕VLAN的重復配置形成的工作量。VTP 服務器維護整個網(wǎng)絡上同一個VTP 域的VLAN 的添加和重命名工作,確保配置的一致性。
2.1.2 配置VTP
VTP 的配置主要包括定義VTP 域、版本號、工作模式、密碼等。本例中,域名設置為byxy,版本號為2,S1-lcp 交換機工作在服務器模式,S2-lcp、S3-lcp交換機工作在客戶機模式,密碼統(tǒng)一設置為123456。
(1)S1-lcp交換機作為VTP服務器
S1-lcp(config)#vtp domain byxy
S1-lcp(config)#vtp version 2
S1-lcp(config)#vtp mode server
S1-lcp(config)#vtp password 123456
(2)S2-lcp交換機作為VTP客戶端
S2-lcp(config)#vtp domain byxy
S2-lcp(config)#vtp mode client
S2-lcp(config)#vtp password 123456
(3)S3-lcp交換機作為VTP客戶端
S3-lcp(config)#vtp domain byxy
S3-lcp(config)#vtp mode client
S3-lcp(config)#vtp password 123456
2.1.3.配置trunk
S1-lcp、S2-lcp、S3-lcp 交換機之間的鏈路設置為TRUNK 中繼鏈路模式,VLAN 封裝格式為dot1q 即802.1q,端口禁止協(xié)商,防止鏈路自動協(xié)商為TRUNK模式。
(1)S1-lcp交換機配置
S1-lcp(config)#interfaceerface range f0/23-24
S1-lcp(config-if-range)# switchport trunk encapsulation dot1q
S1-lcp(config-if-range)# switchport mode trunk
S1-lcp(config-if-range)# switchport trunk native vlan 199
S1-lcp(config-if-range)# switchport nonegotiate
(2)S2-lcp交換機配置
S2-lcp(config)#interfaceerface range f0/22,f0/24
S2-lcp(config-if-range)# switchport trunk encapsulation dot1q
S2-lcp(config-if-range)# switchport mode trunk
S2-lcp(config-if-range)# switchport trunk native vlan 199
S2-lcp(config-if-range)# switchport nonegotiate
(3)S3-lcp交換機配置
S3-lcp(config)#interfaceerface range f0/22-23
S3-lcp(config-if-range)#switchport trunk encapsulation dot1q
S3-lcp(config-if-range)# switchport mode trunk
S3-lcp(config-if-range)# switchport trunk native vlan 199
S3-lcp(config-if-range)# switchport nonegotiate
配置完成后,可在交換機里查看端口的TRUNK 模式。使用show interfaceerfaces trunk 命令查看S1-lcp 交換機的端口TRUNK 模式參數(shù)與狀態(tài)如下:
(4)查看端口TRUNK
S1-lcp#show interfaceerfaces trunk
Port Mode Encapsulation Status Native vlan
Fa0/23 on 802.1q trunking 199
Fa0/24 on 802.1q trunking 199
Port Vlans allowed on trunk
Fa0/23 1-1005
Fa0/24 1-1005
2.1.4 VTP服務器上創(chuàng)建VLAN
S1-lcp 交換機已經(jīng)配置VTP 服務器,作為主控節(jié)點,為全網(wǎng)VLAN 創(chuàng)建、修改和重命名提供服務,確保VLAN配置一致性。
S1-lcp(config)#vlan 2
S1-lcp(config-vlan)#name V2
S1-lcp(config-vlan)#exit
S1-lcp(config)#vlan 3
S1-lcp(config-vlan)#name v3
S1-lcp(config-vlan)#exit
S1-lcp(config)#vlan 10
S1-lcp(config-vlan)#name v10
S1-lcp(config-vlan)#exit
S1-lcp(config)#vlan 20
S1-lcp(config-vlan)#name v20
S1-lcp(config-vlan)#exit
其它交換機配置為同一域名內(nèi)的客戶端,自動接受VTP 服務器的VLAN 配置,因此不需要在客戶端上做VLAN 配置。在S3-lcp 交換機上檢驗VTP 狀態(tài),顯示為byxy 域內(nèi)的一臺客戶端。
S3-lcp#show vtp status
VTP Version capable:1 to 3
VTP version running :2
VTP Domain Name:byxy
VTP Pruning Mode:Disabled
VTP Traps Generation:Disabled
Device ID:00D0.BA44.9200
Configuration last modified by 0.0.0.0 at 3-1-93 01:00:53
Feature VLAN:
--------------
VTP Operating Mode:Client
Maximum VLANs supported locally:1005
Number of existing VLANs:9
Configuration Revision:11
MD5 digest: 0x1F 0x75 0xB7 0x77 0x2C 0xC8 0x0B 0xBE 0xF9 0x20 0x16 0xF6 0x8F 0x11 0x8F 0x57
在S3-lcp 交換機上檢查VLAN 的摘要信息,顯示VLAN2、VLAN3、VLAN10、VLAN20 已經(jīng)創(chuàng)建好了。
2.1.5 VLAN端口劃分
為VLAN 添加接口成員,設置接口模式為訪問(access)模式。
(1)S1-lcp交換機配置
S1-lcp(config)#interface f0/1
S1-lcp(config-if)#switchport mode access
S1-lcp(config-if)#switchport access vlan 10
(2)S2-lcp交換機配置
S2-lcp(config)#interface f0/1
S2-lcp(config-if)#switchport mode access
S2-lcp(config-if)#switchport access vlan 20
(3)S3-lcp交換機配置
S3-lcp(config)#interface f0/1
S3-lcp(config-if)#switchport mode access
S3-lcp(config-if)#switchport access vlan 2
S3-lcp(config-if)#exit
S3-lcp(config)#interface f0/2
S3-lcp(config-if)#switchport mode access
S3-lcp(config-if)#switchport access vlan 3
(4)查看VLAN摘要信息
從VLAN 摘要信息里可以看出,VLAN2和VLAN3里已經(jīng)有活動成員了。
2.1.6 配置SVI
參照前面表2 VLAN 規(guī)劃及相關參數(shù)配置里的內(nèi)容,配置交換機各個虛擬接口即VLAN 的IP地址和子網(wǎng)掩碼參數(shù)。
(1)S1-lcp交換機配置
S1-lcp(config)#interface vlan 10
S1-lcp(config-if)#ip address 10.45.12.2 255.255.255.0
S1-lcp(config-if)#exit
S1-lcp(config)#interface vlan 2
S1-lcp(config-if)#exit
S1-lcp(config)#interface vlan 3
S1-lcp(config-if)#ip address 10.45.3.252 255.255.255.0
S1-lcp(config-if)#exit
(2)S2-lcp交換機配置
S2-lcp(config)#interface vlan 20
S2-lcp(config-if)#ip address 10.45.13.2 255.255.255.0
S2-lcp(config-if)#exit
S2-lcp(config)#interface vlan 2
S2-lcp(config-if)#ip address 10.45.2.253 255.255.255.0
S2-lcp(config-if)#exit
S2-lcp(config)#interface vlan 3
S2-lcp(config-if)#ip address 10.45.3.253 255.255.255.0
由于網(wǎng)絡拓撲中存在冗余鏈路,如果不加處理,將導致鏈路形成環(huán)路,容易導致重復幀、MAC 地址表不穩(wěn)定以及形成廣播風暴,從而給網(wǎng)絡帶來不穩(wěn)定。生成樹協(xié)議主要用來防止環(huán)路的出現(xiàn)。生成樹協(xié)議會將網(wǎng)絡中的冗余鏈路修剪成一棵樹的形態(tài),將冗余鏈路上的端口阻塞掉,從而避免環(huán)路形成對網(wǎng)絡帶來的不利影響。當主鏈路上的端口不能正常工作時,備份端口將自動激活變?yōu)檗D發(fā)狀態(tài),承擔鏈路中的數(shù)據(jù)幀轉發(fā)功能。
2.2.1 配置RSTP
采用RSTP 快速生成樹協(xié)議,以提高收斂速度。使用spanning-tree vlan vlan-id priority value命令配置的作用是將流量在匯聚層分流。本例中,來自VLAN2的流量將通過S1-lcp轉發(fā),來自VLAN3 的流量將通過S2-lcp 轉發(fā),從而實現(xiàn)負載均衡。同時,在邊緣端口上啟用了bpdu 防護,該端口在連接PC 時將立即進入轉發(fā)狀態(tài),當該端口連接到其它交換機上時,該端口將被禁止。具體配置如下:
(1)S1-lcp交換機配置
S1-lcp(config)#spanning-tree mode rapid-pvst
S1-lcp(config)#spanning-tree vlan 2 priority 4096
S1-lcp(config)#spanning-tree vlan 3 priority 8192
S1-lcp(config)#interface f0/1
S1-lcp(config-if)#spanning-tree portfast
S1-lcp(config-if)#spanning-tree bpduguard enable
(2)S2-lcp交換機配置
S2-lcp(config)#spanning-tree mode rapid-pvst
S2-lcp(config)#spanning-tree vlan 2 priority 8192
S2-lcp(config)#spanning-tree vlan 3 priority 4096
S2-lcp(config)#interface f0/1
S2-lcp(config-if)#spanning-tree portfast
S2-lcp(config-if)#spanning-tree bpduguard enable
(3)S3-lcp交換機配置
S3-lcp(config)#spanning-tree mode rapid-pvst
S3-lcp(config)#interface ran f0/1-2
S3-lcp(config-if-range)#spanning-tree portfast
S3-lcp(config-if-range)#spanning-tree bpduguard enable
2.2.2 檢驗生成樹參數(shù)及狀態(tài)
RSTP 中端口狀態(tài)有禁止(discarding)、學習(learning)和轉發(fā)(forwarding)3種狀態(tài)。查看S3-lcp 交換機生成樹協(xié)議狀態(tài),可以看到里面相關端口已經(jīng)處于轉發(fā)狀態(tài)了。
本網(wǎng)絡中采用RIPV2 動態(tài)路由協(xié)議實現(xiàn)全網(wǎng)路由分布與自動更新,具體配置過程如下:
2.3.1 各設備RIPV2協(xié)議部署
R1-lcp(config)#router rip
R1-lcp(config-router)#version 2
R1-lcp(config-router)#no auto-summary
R1-lcp(config-router)#network 10.45.0.0
S1-lcp(config)#ip routing
S1-lcp(config)#router rip
S1-lcp(config-router)#version 2
S1-lcp(config-router)#no auto-summary
S1-lcp(config-router)#network 10.45.0.0
S2-lcp(config)#router rip
S2-lcp(config-router)#version 2
S2-lcp(config-router)#no auto-summary
S2-lcp(config-router)#network 10.45.0.0
2.3.2 檢查路由協(xié)議工作狀況
R1-lcp#show ip route rip
10.0.0.0/8 is variably subnetted,8 subnets,2 masks
R 10.45.2.0/24[120/1]via 10.45.13.2,00:00:14,GigabitEthernet0/1
[120/1]via 10.45.12.2,00:00:14,GigabitEthernet0/0
R 10.45.3.0/24[120/1]via 10.45.13.2,00:00:14,GigabitEthernet0/1
[120/1]via 10.45.12.2,00:00:14,GigabitEthernet0/0
S1-lcp#show ip route rip
10.0.0.0/24 is subnetted,5 subnets
R 10.45.4.0[120/1]via 10.45.12.1,00:00:20,Vlan10
R 10.45.13.0[120/1]via 10.45.2.253,00:00:17,Vlan2
[120/1]via 10.45.3.253,00:00:17,Vlan3
[120/1]via 10.45.12.1,00:00:20,Vlan10
S2-lcp#show ip route rip
10.0.0.0/24 is subnetted,5 subnets
R 10.45.4.0[120/1]via 10.45.13.1,00:00:22,Vlan20
R 10.45.12.0[120/1]via 10.45.13.1,00:00:22,Vlan20
[120/1]via 10.45.2.252,00:00:28,Vlan2
[120/1]via 10.45.3.252,00:00:28,Vlan3
通過查看路由表,各設備上的路由表已建立,路由表項中的路由是完備的,工作正常。
采用HSRP協(xié)議作為冗余路由,實現(xiàn)第一跳冗余路由備份。具體實現(xiàn)過程如下:
(1)S1-lcp交換機配置
S1-lcp(config)#interface vlan 2
S1-lcp(config-if)#standby 2 ip 10.45.2.254
S1-lcp(config-if)#standby 2 priority 105
S1-lcp(config-if)#standby 2 preempt
S1-lcp(config-if)#standby 2 track FastEthernet0/1
S1-lcp(config)#interface vlan 3
S1-lcp(config-if)#standby 3 ip 10.45.3.254
S1-lcp(config-if)#standby 3 preempt
(2)S2-lcp交換機配置
S2-lcp(config)#interface vlan 2
S2-lcp(config-if)#standby 2 ip 10.45.2.254
S2-lcp(config-if)#standby 2 preempt
S2-lcp(config)#interface vlan 3
S2-lcp(config-if)#standby 3 ip 10.45.3.254
S2-lcp(config-if)#standby 3 priority 105
S2-lcp(config-if)#standby 3 preempt
S2-lcp(config-if)#standby 3 track f0/1
(3)查看standby摘要信息
在S1-lcp、S2-lcp 交換機上分別執(zhí)行show standby brief 命令,查看standby 摘要信息,在S1-lcp交換機上,Vl2被編入第2組虛擬路由器,其優(yōu)先級為105,處于活動狀態(tài),活動路由器為本地,其IP 地址是10.45.2.252,備用路由器為10.45.2.253,虛擬路由器IP 為10.45.2.254;Vl3被編入第3 組虛擬路由器,其優(yōu)先級為默認100, 處 于 備 用 狀 態(tài), 虛 擬 路 由 器IP 為10.45.3.254。而在S3-lcp交換機上,情況正好相反,Vl2 所在的第2 組虛擬路由器優(yōu)先級比Vl3所在的第3 組虛擬路由器優(yōu)先級低,因此第2 組處于備用狀態(tài),第3組處于活動狀態(tài)。
在S1-lcp交換機上,第2組虛擬路由器的優(yōu)先級為105,第3 組虛擬路由器的優(yōu)先級為默認值100,Grp2 的優(yōu)先級比Grp3 的優(yōu)先級高,因此Grp2 處于活動狀態(tài),Grp3 處于備用狀態(tài)。為了測試鏈路斷開,HSRP 的搶占情況,不妨主動將S1-lcp上的f0/1端口關閉。
(1)f0/1 端口關閉之前,查看S1 的standby摘要信息,顯示Grp2 處于活動狀態(tài),Grp3 處于備用狀態(tài)。
(2)f0/1 端口關閉之后,再次查看S1-lcp 的standby摘要信息,顯示Grp2和Grp3均處于備用狀態(tài)。
由于VLAN2 的Grp2 上設置了跟蹤f0/1 端口的狀態(tài),當f0/1 端口關閉時,這個狀態(tài)變化會被S1-lcp 捕獲到,HSRP 的優(yōu)先級會發(fā)生變化,鏈路斷開將使優(yōu)先級減10,鏈路重新恢復優(yōu)先級加10。測試過程表明,Grp2 的狀態(tài)變成了Standby,即備用狀態(tài)。
為了繼續(xù)驗證搶占過程,重新激活f0/1 端口,這個時候Grp2 的優(yōu)先級重新恢復到了105,變成了活動狀態(tài),接管了VLAN2 流量的轉發(fā)任務。
將PC1 的IP 地址和默認網(wǎng)關分別設置為10.45.2.100和10.45.2.254,PC2的IP地址和默認網(wǎng)關分別設置為10.45.3.100和10.45.3.254。
3.2.1 客戶端ARP緩存情況
ARP 緩存的作用是,將主機IP 地址和MAC地址建立映射并暫存,當與外部主機通信時,在數(shù)據(jù)封裝時就不需要通過廣播去查詢IP 地址對應的MAC 地址,從而提高數(shù)據(jù)封裝和發(fā)送的速度。
(1)PC1訪問服務器
C:>ping 10.45.4.100
Pinging 10.45.4.100 with 32 bytes of data:
Reply from 10.45.4.100:bytes=32 time<1ms TTL=126
Reply from 10.45.4.100:bytes=32 time<1ms TTL=126
Reply from 10.45.4.100:bytes=32 time<1ms TTL=126
Reply from 10.45.4.100:bytes=32 time<1ms TTL=126
(2)查詢ARP緩存情況
C:>arp-a
Internet Address Physical Address Type
10.45.2.253 0090.219e.8d01 dynamic
10.45.2.254 0000.0c07.ac02 dynamic
(3)PC2訪問服務器
C:>ping 10.45.4.100
Pinging 10.45.4.100 with 32 bytes of data:
Reply from 10.45.4.100:bytes=32 time<1ms TTL=126
Reply from 10.45.4.100:bytes=32 time<1ms TTL=126
Reply from 10.45.4.100:bytes=32 time<1ms TTL=126
Reply from 10.45.4.100:bytes=32 time=1ms TTL=126
(4)查詢ARP緩存情況
C:>arp-a
Internet Address Physical Address Type
10.45.3.252 0001.4204.4902 dynamic
10.45.3.254 0000.0c07.ac03 dynamic
通過查詢ARP 緩存,兩臺PC 機里各有兩個映射,其中一個IP 地址是虛擬路由器IP,另一個則是虛擬路由器組中的VLAN的IP。
3.2.2 雙通道負載均衡檢驗分析
(1)由于在RSTP 快速生成樹協(xié)議中對不同的VLAN 設置了不同的優(yōu)先級,因此,來自不同VLAN 的流量會沿著不同的通道傳輸。在PC1上使用tracert 跟蹤數(shù)據(jù)包傳輸路徑:
C:>tracert 10.45.4.100
Tracing route to 10.45.4.100 over a maximum of 30 hops:
1 6 ms 0 ms 0 ms 10.45.2.252
2 0 ms 0 ms 0 ms 10.45.12.1
3 0 ms 1 ms 0 ms 10.45.4.100
Trace complete.
通過tracert 跟蹤數(shù)據(jù)包,不難發(fā)現(xiàn),數(shù)據(jù)包傳輸路徑為PC1→S3-lcp→S1-lcp→R1-lcp→Server0。由于PC1 被分配在VLAN2,因此在鏈路不發(fā)生故障的情況下,來自VLAN2的流量將沿這條路徑傳輸。
(2)再通過PC2 觀察,跟蹤數(shù)據(jù)包傳輸路徑:
C:>tracert 10.45.4.100
Tracing route to 10.45.4.100 over a maximum of 30 hops:
1 0 ms 0 ms 0 ms 10.45.3.253
2 0 ms 0 ms 0 ms 10.45.13.1
3 0 ms 0 ms 0 ms 10.45.4.100
Trace complete.
通過tracert 跟蹤數(shù)據(jù)包,不難發(fā)現(xiàn),數(shù)據(jù)包傳輸路徑為PC2→S3-lcp→S2-lcp→R1-lcp→Server0。由于PC2被分配在VLAN3,因此在鏈路不發(fā)生故障的情況下,來自VLAN3的流量將沿這條路徑傳輸。
上述兩臺終端主機向同一個目的主機10.45.4.100 發(fā)送探測數(shù)據(jù)包,由于流量來自不同的VLAN,因此數(shù)據(jù)包分別沿不同的路徑傳輸,抵達目的地,驗證了鏈路上雙通道負載均衡的實現(xiàn)。
在部署企業(yè)網(wǎng)絡時,通常需要考慮到VLAN規(guī)劃、備份鏈路、冗余路由以及負載均衡等問題。在具體實施過程中,可采用VTP 對VLAN及其TRUNK 實現(xiàn)配置統(tǒng)一性管理;采用RSTP快速生成樹協(xié)議解決冗余鏈路形成的環(huán)路問題,同時利用冗余鏈路實現(xiàn)負載均衡;采用HSRP實現(xiàn)熱備份路由,為用戶提供透明的冗余路由服務。仿真實驗研究表明,文中綜合應用HSRP和RSTP 實現(xiàn)雙通道負載均衡,獲得了較好的應用效果。在中大型園區(qū)網(wǎng)中,可以通過部署多通道實現(xiàn)大流量的負載均衡,增加數(shù)據(jù)處理能力,減少網(wǎng)絡擁塞的發(fā)生,提高網(wǎng)絡使用效率,保證網(wǎng)絡的可用性。