CN101873306B - 在分级网络中的生成树的根选择 - Google Patents

Abstract

一种通信设备，其包括交换机的分级网络，该交换机的分级网络至少包括：多个第一主干交换机，其通过控制信道互连；和多个第二边缘交换机，其具有内部端口和外部端口，所述内部端口被联接以通过各自的链路与所述主干交换机相通信，所述外部端口用于链接到客户端装置。所述主干交换机被配置为，通过控制信道对分级网络分为第一分区和第二分区的分区进行检测，所述第一分区和所述第二分区分别包括第一数目和第二数目的主干交换机，其中所述第一数目大于所述第二数目，并且响应于所述第一数目和所述第二数目向所述主干交换机分配各自的优先级，以使得分区之中的较大的被选为生成树的根。

Description

在分级网络中的生成树的根选择

技术领域

本发明主要涉及通信网络，更具体地，涉及对分级通信网络中的回路（loop）的避免。

背景技术

本领域已经公知多种不同类型的交换网络。这些类型中的一些交换网络具有分级拓扑，意味着网络中的交换机以多级(或多层)的方式连接到一起。在分级的底部的、交换网络的边缘端口之一处输入的信号，在到达将该信号输出的另一个边缘端口之前，必须经过在分级的较高层的一个或多个内部级。从如下意义上来说，某些分级网络是非阻塞的，即不论该网络内的当前连接如何，任何未使用的边缘端口都可一直连接到任何其他未使用的边缘端口。

Clos网络是一种分级交换网络，其也被称为CBB或胖树网络。这种网络拓扑首先由Charles Clos在1953年的Bell System TechnicalJournal第32期的第406-424页的“A Study of Non-BlockingSwitching Networks”一文中正式提出。Clos网络由排列为互联级的交叉交换机组成，其中每个单独交换机上的端口的数量通常远小于网络中的边缘端口的总数。虽然Clos网络起初被构想为在公共交换电话网络中使用，但其却在某些包交换数据应用中得到了普及。关于这种某些包交换数据应用的回顾被提供在由Mellanox Technologies Inc.(Santa Clara,California,2006)出版的名为“Scaling 10Gb/sClustering at Wire-Speed”的白皮书中，该文献在此以援引方式纳入本文。

在IEEE标准802.1D中定义的生成树协议(STP)，是一种可用于保证任何桥接局域网中的无回路拓扑的网络协议。由于该协议在网络的节点上运行，它在节点之间创建了一个连接树，同时禁用了不属于该树的连接，从而在任何两个节点之间仅有一条活动路径。上述白皮书指出，在Clos网络中使用STP会导致带宽损失和拥塞的问题。

发明内容

本发明的一个实施方案提供了一种通信系统，其包括交换机的分级网络。该网络至少包括：多个第一主干交换机，其通过控制信道互连；和多个第二边缘交换机，其具有内部端口和外部端口，所述内部端口被联接以通过各自的链路与所述主干交换机相通信，所述外部端口用于链接到客户端装置。所述主干交换机被配置为，通过控制信道对分级网络分为第一分区和第二分区的分区过程（partitioning）进行检测，所述第一分区和所述第二分区分别包括第一数目和第二数目的主干交换机，其中所述第一数目大于所述第二数目，并且响应于所述第一数目和所述第二数目向所述主干交换机分配各自的优先级，以使得在具有较大数目的主干交换机的所述分区之中的其中一个主干交换机被选为生成树的根。

在所公开的一个实施方案中，所述分级网络包括Clos网络。

在某些实施方案中，交换机被配置为将来自该分级网络中的一个给定交换机的各个链路集合到在第一分区和第二分区之中的主干交换机，以限定各自的第一链路聚合组(LAG)和第二链路聚合组(LAG)。当分级网络被分区时，在分级网络上运行生成树协议，使第二链路聚合组被阻塞。

在一个实施方案中，所述各自的优先级值和所述第一数目与第二数目成反比例。

通常，主干交换机被配置为在第一分区和第二分区中选出各自的主控主干交换机（master spine switch），并向主控主干交换机分配各自的优先级以使得其中一个主控主干交换机被选为生成树的根。

根据本发明的一个实施方案，还提供了一种用于交换机的分级网络中的通信的方法，该交换机的分级网络至少包括多个第一主干交换机，其通过控制信道互连；和包括多个第二边缘交换机，其具有内部端口和外部端口，所述内部端口被联接以通过各自的链路与所述主干交换机相通信，所述外部端口用于链接到客户端装置。该方法包括，通过控制信道对分级网络分为第一分区和第二分区的分区过程进行自动检测，所述第一分区和所述第二分区分别包括第一数目和第二数目的主干交换机，其中所述第一数目大于所述第二数目。响应于所述第一数目和所述第二数目自动向所述主干交换机分配各自的优先级，以使得在具有较大数目的主干交换机的所述分区之中的主干交换机之一被选为生成树的根。

附图说明

通过下面对本发明实施方案的详细描述，结合附图，将可更完整地理解本发明，在附图中：

图1是示意性示出根据本发明的一个实施方案的通信系统的方框图；

图2是示意性示出根据本发明的一个实施方案、处理分级通信网络中的故障的方框图;而

图3是示意性示出根据本发明的一个实施方案、用于消除通信系统中的回路的方法的流程图。

具体实施方式

概述

下文描述的本发明的实施方案提供了新颖的分级网络结构，尤其是提供了用于避免分级网络中的回路、同时将可用带宽最大化的方法。所公开的网络包括至少多个第一主干交换机——其由控制信道互联，以及多个第二边缘交换机。所述边缘交换机具有内部端口——其通过相应链路被联接以与主干交换机通信，还具有外部端口——其用于连接到客户端装置。其中一个所述主干交换机被规定为用作主控交换机和STP根节点。控制信道上主干交换机之间的通讯，使得该分级网络相对于客户端装置而言可呈现为外置的，好似单个交换机，由此允许STP通过外部端口在该分级网络上运行而不损失内部带宽。

在运行过程中，由于一个或多个主干交换机或者连接主干交换机的控制信道链路的故障，可能会发生对分级网络的分区，也即主干交换机可能被分区成两个或更多个分区。主干交换机被配置为通常通过经由控制信道进行通讯来检测这种分区。这种通讯还允许每个分区中的主干交换机为该分区选择新的主控交换机，并且确定在该分区之中的主干交换机的数目。基于这些各自的数目，由主干交换机自己将桥优先级分配给各分区，以使得较大分区的主控交换机接收到较高的优先级。

结果是，下一次在分级网络上运行STP时，较大分区的主干交换机之一将被选为生成树的根，而边缘交换机将阻塞通向较小分区的端口（直到导致分区的故障被解决为止）。阻塞较小的分区将导致带宽的某些损失，但是将避免回路。同时，将较大分区选择为活动分区将保证最大可能数量的主干交换机，从而保证最大可能的带宽将保持可用于服务客户端流量。

系统描述

图1是示意性示出根据本发明的一个实施方案的通信系统20的方框图。系统20是围绕分级网络22建造的，其在该实施例中被构建为Clos网络。在网络22的分级中最高层是主干25，该主干包括在图中被标为A、B和C的主干交换机24。在该分级的最低层，边缘交换机26包括内部端口27，该内部端口27通过链路28与主干交换机的端口相通信；还包括外部端口29，该外部端口连接到网络22之外的客户端装置32(客户端装置32可包括基本上任何种类的网络节点，诸如主机或交换机)。交换机24和26通常包括交叉包交换机，如本领域所公知的，该交叉包交换机使用转送表在入口端口和出口端口之间交换包。图1中所示出的此类结构有时也被称为折叠Clos网络，因为边缘交换机的外部端口对发往以及来自客户端装置的信号用作入口和出口端口。

为了图示简便，附图中示出的分级网络仅具有两层（不包括客户端装置）：主干交换机和边缘交换机。这些网络中的每个边缘交换机26均通过端口27连接到每个主干交换机24。然而，本发明的原理可均等地应用于在最高层和最低层之间具有一个或多个中间层的分级网络。因此，边缘交换机的内部端口通过各自的链路被联接至与主干交换机通信这一表述，应被理解为既包括了如图1和图2所示的、其中内部端口直接链路到主干交换机的结构，又包括了其中内部端口经过一个或多个中间层的交换机和主干交换机相通信的结构。例如，在上述白皮书中示出的是后一种结构。

主干交换机24通过控制信道30互连。在图中所示的实施例中，控制信道被配置为一个环，该环提供了对抗单点故障的鲁棒性(因为消息可沿任一方向围绕该环发送)，但也可替代地使用任何其他合适的控制信道拓扑。主干交换机使用控制信道等来同步转送信息，以使得所有主干交换机以相同方式转送包(也即，所有主干交换机都将把具有给定目标地址的包转送到同一边缘交换机)。因此，主干交换机在逻辑上一同运作，如同它们是单个扩展的交换机。为此，其中一个主干交换机通常被规定为主控交换机，并负责将转送信息收集并分发到其他主干交换机。

由于主干交换机24相对于边缘交换机26而言看似是单个逻辑交换机，因此每个边缘交换机的内部端口27也随之可被共同视作单个逻辑端口。也就是说，连接到每个边缘交换机的所有链路28都被该边缘交换机集合到一起作为单个链路聚合组(LAG)，通过它转送所有去往主干25的包和来自主干25的包。在这样的LAG中，不论目标地址为何，任何链路28均可被交换机26选择作为即将到来的包的出口，且在每种情况下基于负载平衡考虑而选择实际的物理端口。例如，可基于被应用到特定包报头(packet header)参数的适当的散列函数的结果来选择物理端口。

在主干交换机和边缘交换机两者上使用链路聚合控制协议（LACP），可在网络22中自动创建LAG(LACP，以及链路聚合的其它方面，均在2008年11月出版的IEEE802.1AX-2008标准中得以描述，该标准在此处以援引方式纳入本文)。根据该协议，每个交换机将其“系统ID”发送给其他交换机。当给定交换机在其两个或更多个端口接收到相同的系统ID时，它即可将相应的链路聚合到单个LAG中。主干交换机24通过控制信道30同步，以发送该相同的系统ID，从而使得边缘交换机26把主干交换机关联作为单个逻辑交换机。

主干25作为单个逻辑交换机的结构，消除了在网络22自身内部存在回路的可能性。另一方面，回路仍可出现在客户端装置32和网络22之间。例如，如图1所示，客户端装置32可通过链路36连接到以太网局域网(LAN)34，由此可通过链路36、局域网34和网络22创建一回路路径。

这种回路可通过在客户端装置32、网络34以及网络22的边缘端口29上运行STP而消除。针对STP，主干交换机24之一，通常是主控交换机，被规定具有较高的桥优先级(根据STP惯例，这意味着较低的数值优先级值)。对优先级的合适规定将导致主控主干交换机被选作网络22之中的STP根。边缘交换机26识别该根，并且当协议运行时，将STP桥协议数据单元(BPDU)传送至该根，以及传送来自该根的STP桥协议数据单元(BPDU)。其余的主干交换机不参与该协议。由于运行STP，链路36之一将被阻塞，以断开经过网络34的回路。然而，如上所述，因为主干25相对于边缘交换机26而言看似是单个逻辑交换机，所以内部端口27均不会被阻塞。

对分级网络的分区的处理

图2是示意性示出根据本发明的一个实施方案、处理分级通信网络40中的故障的方框图。网络40可以是Clos网络，如图1中的网络22，但在该实施例中包括大量主干交换机24，它们被标为A、B、……、G。为了简便，仅仅示出了两个边缘交换机26，这两个边缘交换机均链接到所有的主干交换机，而其他可能存在于该网络中的边缘交换机和中间层被忽略了。

在图2所示的场景中，例如，标为A和D的两个主干交换机由于功率损耗而出了故障。结果，控制信道30断开，而剩余的、活动的主干交换机被有效地分成两个分区：一个分区42包括交换机B和C,而另一个分区44包括交换机E、F和G。如上文所解释的，每个分区内的主干交换机能够相互交换控制信息，以选出分区的主控交换机，并且同步它们的转送表。另一方面，分立的分区不能够相互通信或协调彼此的功能。

在该情况下，每个分区相对于边缘交换机26而言将看似为单个分立的逻辑交换机。由此，每个边缘交换机将其到主干25的链路集合成两个逻辑组，最好是：连接到分区42的链路组成一个LAG 46，以及连接到分区44的链路组成另一个LAG 48。在该情况下，在网络40内可能会出现回路。例如，在网络中存在如下的一个逻辑路径，其起自左手边的边缘交换机26，到主干交换机E，到右手边的边缘交换机26，到主干交换机C，再回到左手边的边缘交换机。下文提出了对此问题的解决方案。

图3是示意性示出根据本发明的一个实施方案、用于消除通信系统中的回路的方法的流程图。为清楚起见，在此参照图2中示出的网络40解释了该方法，但该方法也可同样被应用于其他种类的包括两层或更多层的分级网络。

起初(在图2中所示的故障发生之前)，在规定步骤50，选择主控主干交换机且在所考虑的系统中规定其具有最好的(最高的)桥优先级。如前所述，针对STP，高优先级对应于低优先级值，这将导致主控主干交换机具有较低的桥标识符(ID)号。根据STP惯例，具有最低桥I D号的网络节点被选择为该网络的根。因此，在选择步骤52，当在交换机26的外部端口上运行STP时，主控主干交换机将被选择为根。

网络40和客户端装置32根据在步骤52设置的STP结构继续正常运行，直到在分区步骤54，主干25的分区发生为止。在出现导致分区的故障之后，仍然活动的主干交换机自动检测到分区。例如，主干交换机可以通过控制信道30有规律地交换心跳（heartbeat）或轮询消息，且可当相邻交换机未应答时通知其他交换机。当交换机中出现两个或更多个故障时，活动的交换机就得出已发生了分区的结论。

通常，活动的主干交换机也向边缘交换机26发送信号，以将故障告知它们。这种信号发送使边缘交换机中断它们之前的到单个LAG的所有物理链路的集合，因为该主干不再能作为单个逻辑交换机而运行。例如，主干交换机可以暂时禁用它们到边缘交换机的链路。结果，当这些链路再次能够使用时，边缘交换机将解散现存的LAG并且尝试将所述链路重新集合到主干交换机。

在每个分区中，需要一个主控主干交换机，以恢复主干交换机在该分区中的同步。如果最初的主控主干交换机在这些分区之一内保持活动，它可继续用作在那个分区内的主控。任何尚未包括该主控主干交换机的分区均选出一个新的主控。例如，每个分区中具有最低序列号的交换机可被选择为该分区的主控。针对LACP，在每个分区中的主控主干交换机接管在该分区内的转送表的同步，以及各自的系统ID的分配。根据不同的系统ID，边缘交换机现在组织分立的LAG 46和LAG48。

在交换机计数步骤56，每个分区之中的主控主干交换机现在对该分区之中的主干交换机的数量进行计数。通常，主控交换机通过控制信道30和在其分区内的其他主干交换机交换消息，由此对应答的主干交换机的数量进行计数。在优先级设定步骤58，在每个分区内的主控交换机随即基于该计数为其自身分配一个桥优先级值。为了去除回路，选择该优先级值以使得较大分区的主控交换机具有比较小分区的主控交换机更高的优先级。这种优先次序区分，可通过例如让每个主控交换机根据预定规则计算其自身的桥优先级而完成，在该预定规则中优先级值与该分区中主干交换机的数量成反比例。

在回路去除步骤60，在客户端装置32和已被分区的网络40上运行STP。由于在步骤58设置的优先级值，分区44的主控交换机将被选作根，且LAG 46中的链路将相应地被阻塞。先前通过主干交换机B和C可用的带宽将损失，直到交换机A和/或D重新进行服务为止，但是通过分区44，相对较大的带宽保持可用。

应理解上面描述的实施方案仅以举例方式引述，而本发明不限于上文具体所示和所述的内容。相反地，本发明的内容包括上述各种不同特征的组合与子组合，以及本领域技术人员在阅读前述说明书后可对其作出的、在现有技术中未公开的变化和修改。

Claims (12)

1.一种通信系统，其包括交换机的分级网络，该交换机的分级网络至少包括：

多个第一主干交换机，其通过控制信道互连；和

多个第二边缘交换机，其具有内部端口和外部端口，所述内部端口被联接以通过各自的链路与所述主干交换机相通信，所述外部端口用于链接到客户端装置，

其中所述主干交换机被配置为，通过控制信道对分级网络分为第一分区和第二分区的分区过程进行检测，所述第一分区和所述第二分区分别包括第一数目和第二数目的主干交换机，其中所述第一数目大于所述第二数目，并且响应于所述第一数目和所述第二数目向所述主干交换机分配各自的优先级，以使得在具有较大数目的主干交换机的所述分区之中的主干交换机之一被选为生成树的根。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述分级网络包括Clos网络。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述交换机被配置为将来自该分级网络中的一个给定交换机的各个链路集合到所述第一分区和第二分区之中的主干交换机，以限定各自的第一链路聚合组（LAG）和第二链路聚合组(LAG)。

4.根据权利要求3所述的系统，其中当该分级网络被分区时，在分级网络上运行生成树协议，使所述第二链路聚合组被阻塞。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述各自的优先级值和所述第一数目与第二数目成反比例。

6.根据权利要求1所述的系统，其中主干交换机被配置为在所述第一分区和第二分区中选出各自的主控主干交换机，并向所述主控主干交换机分配各自的优先级以使得其中一个主控主干交换机被选为所述生成树的根。

7.一种用于通信的方法，包括：

在交换机的分级网络中——所述分级网络至少包括多个第一主干交换机，其通过控制信道互连；和包括多个第二边缘交换机，其具有内部端口和外部端口，所述内部端口被联接以通过各自的链路与所述主干交换机相通信，所述外部端口用于链接到客户端装置——通过控制信道对分级网络分为第一分区和第二分区的分区过程进行自动检测，所述第一分区和所述第二分区分别包括第一数目和第二数目的主干交换机，其中所述第一数目大于所述第二数目，并且

响应于所述第一数目和所述第二数目向所述主干交换机自动分配各自的优先级，以使得在具有较大数目的主干交换机的所述分区之中的主干交换机之一被选为生成树的根。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述分级网络包括Clos网络。

9.根据权利要求7所述的方法，还包括将来自该分级网络中的一个给定交换机的各个链路集合到在所述第一分区和第二分区之中的主干交换机，以限定各自的第一链路聚合组(LAG)和第二链路聚合组(LAG)。

10.根据权利要求9所述的方法，其中当该分级网络被分区时，在分级网络上运行生成树协议，使所述第二链路聚合组被阻塞。

11.根据权利要求7所述的方法，其中所述各自的优先级值和所述第一数目与第二数目成反比例。

12.根据权利要求7所述的方法，还包括在所述第一分区和第二分区中选出各自的主控主干交换机，其中所述自动分配各自的优先级包括向所述主控主干交换机自动分配各自的优先级，以使得其中一个主控主干交换机被选为所述生成树的根。

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