组播在IRF网络的解决方案

今天的组播网络

随着信息技术的迅猛发展，铺天盖地的网络已逐渐融入到人们生活当中，已成为人们生活和工作中不可或缺的一份，尤其是现代年轻人把更多的学习和娱乐时间投入到计算机网络中，计算机网络也逐渐变成人们学习和娱乐的主要途径。如何给用户提供一个高带宽、高可靠性、高性能的多媒体视频服务，成为摆在服务商面前的一大难题。

传统的多媒体业务是每个用户通过单播的形式跟服务器连接。当点播用户增多时，服务器上建立的连接也随之增多，导致提供业务的服务器异常繁忙。一台性能极高的服务器才能给众多用户提供多媒体业务，重复相同的高带宽多媒体数据会增加网络流量，造成严重的网络阻塞。这时组播路由协议的出现解决了单播方式运行多媒体业务的诸多弊端，给整个网络中传输多媒体业务提供了技术保障。虽然以这种全新的组播方式提供多媒体业务成为可行，但是目前网络的可靠性低、网络性能不高、投资大等不利因素，导致不能给客户以低廉的成本，提供一个高质量的组播业务，大大影响了组播业务的推广和普及。

现今的组播网络有以下几个特点。

高投资换来的可靠性

网络的高可靠性是指系统以有限的代价换取最大运行时间，将故障引起的服务中断损失降到最低。系统一方面需要尽量减少硬件或软件故障，另一方面必须对重要资源有相应备份。故障即将出现时，系统能迅速将受影响的任务转移到备份资源上继续提供服务。

网络的高可靠性一般在系统、组件和链路三个级别上实现。系统级的高可用性要求网络拓扑必须有冗余节点和备份设计，例如在一个网络节点上配置多台交换机并指定其中一台为主交换机，然后通过 VRPP 技术使得其余多台交换机均作为主交换机的备份；组件级的高可用性着眼于网络设备自身，要求网络设备具有冗余部件和热备份机制 , 例如需要配有双电源、双主控之类的备份组件；链路级的高可用性要求传输线路必须有备份，如果主要数据通路中断，备用线路将迅速启用，链路冗余在技术上体现为 STP/RSTP/MSTP （后面统称为 STP ）、链路聚合技术等。

采用以上技术后，网络运行的大部分时间内，这些设备不会参与整网的数据转发，是一种闲置冗余的设备或链路来保障网络可靠性的，是一种高投资换来的高可靠性。

单一的端口扩展

用户的多样性和不确定性给服务商提出了另一个要求，必须以灵活的组网方式来应对不可预见的客户群变化，降低风险。当用户增多时，服务商盲目增加设备，扩大容量。由于新增的交换机跟原有的交换机没有组成一个整体，导致网络设备的性能下降，网络管理更复杂，最后会影响整个网络的正常运行。

网络管理复杂

今天组网方式中，可以采用多种方式对网络设备进行管理，从带宽角度而言，分为带内管理和带外管理，带内管理包括 WEB 方式、网管软件（ SNMP ）方式、远程 TELNET 方式，带外管理包括通过设备的控制端口进行管理等。

由于带内管理在自身网络中运行，因此用的更为频繁，但其要求设备必须要有唯一的 IP 地址。而传统模式下，除了部分堆叠方式外，大都要求被网管的设备必须配备 IP 地址。这对于数量较少的核心交换机可能不算什么，但对于数量庞大的网络边缘交换机而言，不但增加了配置的复杂程度，而且还占用了大量的地址空间。即使是对于工作在使用一个 IP 地址的堆叠模式下的交换机，管理界面上看到的仍然是堆叠在一起的各个交换机，而不是一个真正的整体，具体的配置仍然是对各交换机单独配置。

投资效率太低

今天的交换方式组网中心都是机架式交换机，边缘是盒式交换机。由于现有的技术都不能在实现冗余的前提下较好的解决负载分担问题，因此用户在初期购买设备时，单台中心交换机的性能就必须能够满足整网的数据流转发要求，考虑到今后的发展，对设备的性能要求更是远远高于建网时实际的需求。这样中心的设备需要一次性购买整个机架，加大了组网的成本，而且从可靠性角度而言，还要购置同样的设备却仅仅用来作为备份，大大的降低了投资效率。而当日后中心设备的性能不能满足发展的需求时，又只能重新购买新的核心设备，这时有可能出现原有设备在中心则性能不足，在边缘则性能过剩的尴尬局面。不能很好的进行投资保护。

问题的解决

从前面提到的问题看，现有企业网模式中，从中心到边缘交换机都是各自为战，比如中心的两台交换机，不管是在数据报转发还是路由协议处理上都是各作各的。并没有形成一个整体。两者间的联系不过就是通过 VRRP 和 STP 技术来实现冗余互备罢了。而这些技术使得两台心交换机在对同一网段的数据包处理上实际上只能有一台起作用，极大的浪费了设备资源和链路资源。这实际上是一种负荷集中的组网方式。

针对这个问题，我们希望有这么一种技术，能够将处于同一地位，起同样功能的多台设备逻辑上组成一个整体，在正常运转中多台设备共同承担负载，而当一台设备或链路出现问题时，其他设备和链路可以将故障设备的负载接过来，不会影响业务的正常运转。而需要扩展网络时，只需再加一台交换机到逻辑整体中即可。而在管理上，逻辑上的整体也完全表现为一台设备。这种技术必将极大的提高网络的可靠性、可扩展性和管理性。同时也会降低初期的组网成本。

这就是华为 3Com 推出的 IRF 技术。

使用IRF 技术的组播网络

IRF 概述

IRF 的含义就是智能弹性架构（ I ntelligent Resilient Framework ）。

支持 IRF 的多台设备可以互相连接起来形成一个“联合设备”，这台“联合设备”称为一个 fabric ，而将组成 fabric 的每个设备称为一个 unit （如图 1 所示）。多个 unit 组成 fabric 后，无论在管理还是在使用上，就成为了一个整体。它既可以随时通过增加 unit 来扩展设备的端口数量和交换能力，大大提高了设备的可扩展性；同时也可以通过多台 unit 之间的互相备份增强设备的可靠性；并且整个 fabric 作为一台设备进行管理，用户管理起来也非常方便。

简单来说，就是 IRF 设备通过多个 unit 的互连形成了用户迫切需要的 易管理、易扩展以及高可靠的产品特点，是一种不同于业界现有所有设备的全新理念的网络设备。

图1  IRF交换机

IRF技术的三大组成部分

DDM（分布式设备管理）： 外界可以将整个fabric看成一台整体设备进行管理，用户可以通过CONSOLE、SNMP、TELNET、WEB等多种方式来管理整个fabric。

DRR（分布式弹性路由）： fabric的多个设备在外界看来是一台单独的三层交换机。整个fabric将作为一台设备进行路由功能和转发功能。在某一个设备发生故障时，路由协议和数据转发可以不中断。

DLA（分布式链路聚合）： 支持跨设备的 链路聚合，可以在设备之间进行链路的负载分担和互为备份。

IRF 具有高可靠、易扩展、易管理、高效投资率等优点。除此之外，支持 IRF 技术的交换机可以与企业现有的不支持 IRF 技术的交换机实现互操作。尽管不支持 IRF 技术的交换机将不会成为 IRF 分布式交换中心的组成部分，但是，这些交换机仍然可以通过分布式弹性路由技术，分布式链路聚合技术、分布式二层协议来实现互操作，完全可以实现 IRF 的优点，用户可以逐步平滑升级现有网络。

IRF 技术能够构建具备高可用性和可伸缩性的网络核心，其性能、配置能力和可伸缩性都能与网络同步增长，从而避免集中式网络核心设备需要面对一次性较大投入和物理限制等问题。因此， IRF 技术能通过一种全新的“按需购买，渐进扩展”的策略帮助企业降低网络总体拥有成本。

下面对 IRF 网络的优点做个分析介绍。

高扩展性

端口扩展

当接入的用户数增加到原交换机端口密度不能满足接入需求时，可以通过增加新的交换机，并与原有的交换机组成 IRF Fabric 整体。由于新增的交换机跟原有的交换机组成一个整体，对网络管理方面不会增加任何复杂性，用户就像管理一台交换机一样，轻而易举的实现对多台交换机的管理。这种扩展方式目前 IRF 技术可最多支持 8 台交换机。

处理能力扩展

组播数据的复制交换一直是消耗系统资源的一个难题。当接入网络的交换机转发能力不能满足需求时，同样可以通过增加新交换机与原交换机组成 IRF Fabric 。由于 IRF fabric 系统实现了分布式组播数据转发，每台交换机都能够分别对组播数据同时进行转发处理。分布式 IGMP-snooping 的实现，使 fabric 内每条链路上只有一份组播数据流，把组播数据复制交换这种消耗系统资源的工作分散在 fabric 系统内的每一个 unit 上去做，使每个 unit 分别负担组播转发，大幅提高了组播数据转发性能和整体 fabric 系统的交换处理能力。若一台交换机转发能力为 64M PPS ，则通过增加一台交换机进行扩展后，整个 Fabric 的转发能力为 128M PPS 。

带宽扩展

运行多媒体组播业务会占用很大带宽。 IRF 的带宽扩展方式是依赖于 LACP 技术。 IRF 的分布式链路聚合技术是在 LACP 基础上，解决了 LACP 的同一汇聚组的同一侧只能连在同一台物理设备上的弊端。 IRF 带宽扩展方式允许中心交换机同时连接两台边缘交换机并与其形成一个 LACP 组。实际上，由于 IRF 技术的使用，对中心交换机的而言，边缘交换机的数量并没有变化，物理上的两台交换机看起来就是一台交换机。因此，即使中心交换机不支持 IRF 特征，它也可以与其他支持 IRF 特征的交换机或 IRF Fabric 组成 LACP 汇聚组。这种灵活的带宽扩展技术解决了现今组播网络中的带宽瓶颈问题。

高可靠性

组播路由协议的可靠性

IRF 的分布式弹性组播路由技术是具有独立知识产权的一种热备份技术。该技术将 fabric 内部多台 unit 上实现组播路由信息的严格同步，当其中一台 unit 出现故障时，其它 unit 可以迅速接接管组播路由协议的运行，实现路由协议无缝切换，保证组播数据转发不中断，不影响组播业务。

组播数据转发的可靠性

由于 IRF Fabric 系统实现了分布式组播数据转发，每台交换机都能够分别对组播数据同时进行独立转发处理。这跟传统堆叠设备上的集中数据转发比较，大大提高了 fabric 系统的交换转发能力。 IRF 实现分布式组播数据转发后，组播数据在入端口和出端口之间寻找最短路径，跨越最少的 unit ，从出端口转发出去。当 fabric 系统中的一台 unit 发生故障时，分布式组播数据转发技术将在报文的入端口和出端口之间寻找另一条最短的链路转发出去，提高了组播数据转发的可靠性。

数据链路的可靠性

分布式链路聚合技术中， LACP 的同一端物理端口可以连接在不同的交换机上，逻辑上却仍然是一个整体。当某条聚合的链路发生故障时，数据业务自动切换到其它的聚合链路上，实现了数据链路的高可靠性。

组网架构的可靠性

分布式弹性组播路由技术、分布式组播数据转发和分布式链路聚合技术把可靠性技术提高到一个崭新的起点。 IRF fabric 系统的可靠性是从路由协议、转发和链路等三个不同的层次上实现的。这比以往的 1+1 、 N+1 冗余机制相比， IRF 系统在互相备份时，不分主备，不分你我。系统正常运行时每个 unit 都参与到整个系统的转发，当某一台 unit 发生故障时，其它所有 unit 共同作为备份，实现了 1 ： N 的冗余备份机制，这种技术以低廉的成本实现了整网的高可靠性。

高度集中管理

IRF fabric 系统中的多台设备在管理上就相当于一台设备，具有一个单一的 IP 地址，不管是通过 WEB 、 SNMP 网管软件、 TELNET 还是直接通过控制口管理，展现在网络管理员面前的只有一台设备，即使通过各交换机自身的控制端口来管理，看到的也是一个 Fabric 的整体设备。对设备配置时一次就可以配置所有交换机，而且 Fabric 有统一的日志输出。这些特点，不但减少了设备管理需要的 IP 地址，节约了宝贵的 IP 地址资源，同时减少了管理单元的数量，使复杂的网管工作简单化，给维护工作也带来了很大的便利。

高效投资率

IRF 技术的灵活扩展性、 1:N 的冗余备份机制和高度集中管理使用户能够随时随地向网络增加新 unit 或撤离 unit ，不需要去一次性购买昂贵的性能远超目前需要的机架式设备，不仅降低了升级成本，还保护了已有网络的投资。同时网络上的新技术层出不穷，“按需购买”的方式也避免了技术风险，极大的保护了投资者的利益，大大增加了投资者的信心。

IRF 组播网络

图 2  IRF 组播组网示意图

图 2 为 IRF 的组播整网解决方案示意图。所有交换机都为支持 IRF 功能的交换机。其中两台核心交换机、服务器接入交换机、汇聚层交换机和接入层交换机都为 IRF 架构，各层次之间通过双回归链路进行连接。单从图上看， IRF 组网与传统方式的组网在拓扑上似乎并没有什么太大的差别，顶多就是各层次间多了些连线而已。但正是这些看似复杂的连线，将网络的可靠性、整体转发性能提到了一个新的层次，但在管理上却比传统网络更为简单。

在图 2 中，接入层交换机上采用了 IRF 设备，支持灵活自如的扩展。随着用户的增加和减少服务商可以随意扩容。接入层交换机和汇聚层交换机之间可以根据组播业务的需求，通过链路聚合来完成任意的带宽扩容。图 2 中， IRF 组网方式中不同层次的网络设备间都采用了双回归方式的链路连接，虽然物理连线比较多，但按照 IRF 的分布式链路聚合技术组成了链路聚合组，使得 IRF 构架的网络提高网络整体转发能力的同时保障了网络的可靠性。并且在将来随着业务的发展，完全可以在各 IRF fabric 中继续添加新的 IRF 交换机，从而使网络核心和边缘都可以根据需要不断提高性能。这也是业界里第一个通过一种技术就能够同时对网络的可靠性、可扩展性和网络性能各方面都大有裨益的组网方式。

总结

使用 IRF 技术的组播网络，从根本解决了高扩展性、高可靠性、易管理性和低成本之间的矛盾，彻底改变了现有组播网络观念和模式，带来了高可靠、低成本、易管理、易扩展的全新组网方式。这 必将在现今日新月异的数据通信网络建设大潮中大显身手，会 把多媒体组播业务推广到人们生活的每一个角落。