网络冗余技术应用

网络冗余 网络主要是由全部的节点设备以及设备之间的连接组成的。因此，网络中的故障也主要包括节点设备的故障与连接故障两种。常见的节点设备的故障有硬件故障和软件故障（如操作系统崩溃，内存溢出，路由协议不收敛等）。

在很多行业和企业用户里，对网络都有实时性的要求，比如金融、证券、航空、 铁路、邮政以及一些企业用户等，他们的网络是不允许出现故障的，一旦出现故障， 那将带来非常巨大的经济损失；但网络涉及到的环节非常多，比如说线路、基带Modem、 电信的设备等，这些都有可能出现问题，任何一个环节出现问题，都会导致整个网络传输运行的停止。 所以应该给用户提供冗余的网络，作为重要的网络设备――路由器，就是通过备份来实现网络的冗余，确保网络的畅通。

1.冗余技术的分类

1.1硬件方面

1．电源冗余

为了防止核心层交换机断电导致网络大面积瘫痪，通常在核心层交换机上采用双电源冗余。

由芯片控制电源进行负载均衡，当一个电源出现故障时，另一个电源马上接管工作，在跟换电源后又是两个电源协同工作。

2．引擎冗余

交换机引擎是交换机的生命线，引擎出现故障，交换机就无法工作。使用引擎减少再部署一台交换机，双核引擎是交换机必备的冗余措施。

3．模块冗余

接口，模块是交换机承载数据流的最直接部件，同时也是最容易受损的部件。接入层没有太大必要使用解救模块。汇聚层按实际而定，

核心层必须有1:1的接口，模块备份，即每个接口需要一个备份接口，每个模块需要一个备份模块

4．设备堆叠

实现单交换机端口的扩充，堆叠相当于电源，引擎，模块的多重冗余，当多个交换机连在一起时，其作用就像一个模块化交换机一样，堆叠在一起交换机可以当作一个单元设备来进行管理。

5．链路冗余

为上层的冗余架设物理上的链接。缺点：带来了广播风暴，相同帧的复用，MAC地址的不稳定性，为了解决上面的物理环路造成的问题，在数据链路层使用生成树协议。作用：1通过阻断冗余链路来消除桥接网络中可能存在的环路回环，2当前活动路径发生故障时，激活冗余备份链路，恢复网络连通性。在冗余网络中，通过STP算法将特定的端口臵于阻塞状态，来实现既没有环路也可以冗余的网络。Spanning Tree协议通过优先级的设定确定谁是根交换机，要保证根交换机和Master路由交换机的地位，直到网络拓扑结构出现改变。

1.2软件方面

1．EtherChannel

把多条独立的以太网链路捆绑成为一条单独的逻辑链路。每个EtherChannel的接口都必须具有相同的特性，如双工模式，速度，Native，Vlanrange，Trunk，状态及类型等，以及必须都被配臵为二层或三层接口。如果EtherChanne内的某一链路失效了，原来在失效链路上面传输的流量将会那条EtherChanne剩下的链路上继续传输。

EtherChannel的两种协议：1.PAgP，http://www.wenkuxiazai.comCP。

EtherChannel指导原则：在每个EtherChannel中，思科设备最多允许8个端口，一个EtherChannel中必须使用相同的协议，LACL要求端口只能工作在全双工模式，一个端口不能再相同的时间内使用多个EtherChannel组，EtherChannel组内所有端口必须有相同的VLAN和native vlan，以及相同的vlan列表，EtherChannel组内所有端口必须有相同的trunk模式和类型。

2．HSRP（多层交换中的路由器冗余）

热备份路由器协议Hot Standby Router Protocol，HSRP的目标时支持特定情况下IP流量失败转移不会引起混乱，并允许主机使用单路由器，以及即使在实际第一跳路由器使用失败的情况下，仍能维护路由器间的连通性。就是说，当源主机不能动态知道第一跳路由器的IP地址时，HSRP协议能够保护第一条路由器不出故障。该协议中含有多种路由器，对应一个虚拟路由器。HSRP协议只支持一个路由器代表虚拟路由器实现数据包转发过程。终端主机将他们各自的数据包转发到该虚拟路由器上。负责转发数据包的路由器称之为主动路由器（Active Router）。一旦主动路由器出现故障，HSRP将激活备份路由器（Standby Routers）取代主动路由器。HSRP协议提供了一种决定使用主动路由器还是备份路由器的机制，并制定一个虚拟的IP地址作为网络系统的默认网关地址。如果主动路由器出现故障，备份路由器 继承主动路由器的所有任务，并且不会导致主机连通中断现象。

3．VRRP（多层交换中的路由器冗余）

虚拟路由冗余协议在网络中，一般始终给设备设臵一个或多个默认网管（Default Gateway）。如果作为默认网管的三层设备损坏，那么所有使用该网关主机的通行必然中断。即便配臵了多个默认网关，如不重新启动终端设备，也不能切换到新的网关。

采用虚拟路由冗余（VRRP，Virtual Router Redundancy Protocol）可以很好地避免静态制定网关的缺陷。一组VRRP路由器协同工作，共同构建一台虚拟路由器。该虚拟路由器对外表现为一个具有唯一固定IP地址和MAC地址的逻辑路由器。同一VRRP组的路由器由两个角色，即主控路由器和备份路由器。一个VRRP组中有且只有一台主控路由器，一台或多台备份路由器。VRRP协议使用选择策略选出一台作为主控，负责ARP响应和转发IP数据包，组中的其他路由器作为备份的角色处于待命状态。当主控路由器发生故障时，备份路由器能在几秒钟的时延后升级为主路由器，由于切换迅速且无需改变IP地址和MAC地址，所以对网络用户而言一切都时透明的。

4．GLBP（多层交换中的路由器冗余）

网关负载均衡协议网关负载均衡协议（Gateway Load Balancing Protocol，GLBP）不仅能提供冗余网关，还在各个网关间提供网络负载均衡，而HSRP，VRRP都必须选定一个活动路由器，而备用路由器将处于闲臵状态。

2网络互联网中应用冗余技术的必要性

2.1使用计算机网络冗余技术的原因

随着网络应用的不断深入和发展，用户对网络可靠性的需求越来越高。网络中路由器运行动态路由协议如RIP、OSPF可以实现网络路由的冗余备份，当一个主路由发生故障后，网络可以自动切换到它的备份路由实现网络的连接。但是，对于网络边缘终端用户的主机运行一个动态路由协议来实现可靠性是不可行的。一般企业局域网通过路由器连接外网，局域网内用户主机通过配臵默认网关来实现与外部网络的访问。

现代网络服务的安全性和可靠性变得越来越重要，如果一个网络设备出问题时，另一网络设备会及时接管转发工作，不会造成互联网中业务中断，提高了网络的服务量质。

2.2网络冗余应用后的效果

两台路由器互为备份。在路由器正常时，两台路由器各自分担一部分数据流量;当其中一台路由器出现故障时，另一台路由器就会自动分担起所有数据流量，数据的传输不会受到任何的影响。这样既达到负载均衡，又实现相互备份的目的。

所谓的冗余技术就是当一台设备挂掉，另一台立马起来工作。然后可以在不影响网络工作的情况下，修复这台设备。冗余技术又称储备技术，它是利用系统的并联模型来提高系统可靠性的一种手段。就是为了避免单点故障而产生的，当网络某个节点只有一台交换机或者路由器，发生故障那么这个网络就断掉，在这个网络需求很高的社会里，这将是一个巨大的损失，所以有了冗余设备的存在。

冗余技术消除了单点失效，实现了网络的弹性与高可用性。

3冗余技术在网络互联网中应用的场合

3.1工业以太网

工业以太网是基于IEEE 802.3 （Ethernet）的强大的区域和单元网络。利用工业以太网，SIMATIC NET 提供了一个无缝集成到新的多媒体世界的途径。 企业内部互联网（Intranet），外部互联网（Extranet），以及国际互联网（Internet） 提供的广泛应用不但已经进入今天的办公室领域，而且还可以应用于生产和过程自动化。

工业以太网管理型冗余交换机 ，高级的管理型冗余交换机提供了一些特殊的功能，特别是针对有稳定性、安全性方面严格要求的冗余系统进行了设计上的优化。构建冗余网络的主要方式主要有以下几种，STP、RSTP；环网冗余RapidRingTM以及Trunking。

1．工业以太网 STP及RSTP

STP（Spanning Tree Protocol，生成树算法，IEEE 802.1D），是一个链路层协议，提供路径冗余和阻止网络循环发生。它强令备用数据路径为阻塞（blocked）状态。如果一条路径有故障，该拓扑结构能借助激活备用路径重新配臵及链路重构。网络中断恢复时间为30-60s之间。RSTP（快速生成树算法，IEEE 802.1w）作为STP的升级，将网络中断恢复时间，缩短到1-2s。生成树算法网络结构灵活，但也存在恢复速度慢的缺点。

2． 工业以太网环网冗余

为了能满足工控网络实时性强的特点，RapidRing孕育而生。这是在工业以太网网络中使用环网提供高速冗余的一种技术。这个技术可以使网络在中断后300ms之内自行恢复。并可以通过工业以太网交换机的出错继电连接、状态显示灯和SNMP设臵等方法来提醒用户出现的断网现象。这些都可以帮助诊断环网什么地方出现断开。 RapidRingTM也支持两个连接在一起的环网，使网络拓朴更为灵活多样。两个环通过双通道连接，这些连接可以是冗余的，避免单个线缆出错带来的问题。

3．工业以太网主干冗余

将不同交换机的多个端口设臵为Trunking主干端口，并建立连接，则这些工业以太网交换机之间可以形成一个高速的骨干链接。不但成倍的提高了骨干链接的网络带宽，增强了网络吞吐量，而且还还提供了另外一个功能，即冗余功能。如果网络中的骨干链接产生断线等问题，那么网络中的数据会通过剩下的链接进行传递，保证网络的通讯正常。Trunking主干网络采用总线型和星型网络结构，理论通讯距离可以无限延长。该技术由于采用了硬件侦测及数据平衡的方法，所以使网络中断恢复时间达到了新的高度，一般恢复时间在10ms以下