交换机堆叠与集群

前言

• 随着企业的发展，企业网络的规模越来越大，这对企业网络提出了更高的要求：更高的

可靠性、更低的故障恢复时间、设备更加易于管理等。

• 传统的园区网高可靠性技术出现故障时切换时间很难做到毫秒级别、实现可靠性的方案

通常为一主一备，存在着严重的资源浪费。同时随着网络设备的越来越多，管理将会变

得越加复杂。为构建可靠、易管理、资源利用率高、易于扩展的交换网络，引入了交换

机堆叠、集群技术。

• 本章节中将介绍交换机堆叠、集群技术的技术原理、组网方式等。

目标

• 学完本课程后，您将能够：

▫ 描述交换机堆叠、集群的基本概念

▫ 阐述堆叠、集群的建立过程

▫ 阐述堆叠、集群的分裂检测技术原理

目录

1. 堆叠、集群技术概述

2. 堆叠技术原理

3. 集群技术原理

4. 基本配置

堆叠、集群简介

使用堆叠、集群技术将独立的交换机虚拟化成一台逻辑的交换机，一般接入、汇聚层盒式交换机采用堆叠技术，汇聚、核

心层交换机采用集群技术。

• 在逻辑交换机之间使用链路聚合技术，无需部署STP、VRRP实现高可靠性。

• 实现高可靠性的同时设备之间的链路可以同时传输流量，链路利用率得以提升。

堆叠、集群的优势 (1)

使用堆叠、集群可有效提高资源利用率，获得更高的转发性能、链路带宽。

堆叠、集群的优势 (2)

使用堆叠、集群可以降低网络规划的复杂度，方便对于网络的管理。

堆叠、集群的优势 (3)

使用堆叠、集群可以大大降低故障导致的业务中断时间。

目录

1. 堆叠、集群技术概述

2. 堆叠技术原理

3. 集群技术原理

4. 基本配置

堆叠基本概念

• 堆叠系统中所有的单台交换机都称为成员交换机，按照功能不同，可以分为三种角色：

▫ 主交换机（Master）：主交换机负责管理整个堆叠。堆叠系统中只有一台主交换机。

▫ 备交换机（Standby）：备交换机是主交换机的备份交换机。堆叠系统中只有一台备交换机。当主交换机故障时，备交换机会接替原主

交换机的所有业务。

▫ 从交换机（Slave）：从交换机用于业务转发，堆叠系统中可以有多台从交换机。从交换机数量越多，堆叠系统的转发带宽越大。除主

交换机和备交换机外，堆叠中其他所有的成员交换机都是从交换机。当备交换机不可用时，从交换机承担备交换机的角色。

• 堆叠优先级：堆叠优先级是成员交换机的一个属性，主要用于角色选举过程中确定成员交换机的角色，优先级值越大表示

优先级越高，优先级越高当选为主交换机的可能性越大。

堆叠ID

• 堆叠ID，即成员交换机的槽位号（Slot ID），用来标识和管理成员交换机，堆叠中所有成员交换机的堆叠ID

都是唯一的。

• 设备堆叠ID缺省为0。堆叠时由堆叠主交换机对设备的堆叠ID进行管理，当堆叠系统有新成员加入时，如果新

成员与已有成员堆叠ID冲突，则堆叠主交换机从0～最大的堆叠ID进行遍历，找到第一个空闲的ID分配给该新

成员。

• 在建立堆叠时，建议提前规划好设备的堆叠ID。

堆叠逻辑接口

• 堆叠逻辑接口：交换机之间用于建立堆叠的逻辑接口，每台交换机支持两个逻辑堆叠端口，分别为stack-port

n/1和stack-port n/2，其中n为成员交换机的堆叠ID。

• 一个逻辑堆叠端口可以绑定多个物理成员端口，用来提高堆叠的可靠性和堆叠带宽。

• 堆叠成员设备之间，本端设备的逻辑堆叠端口stack-port n/1必须与对端设备的逻辑堆叠端口stack-port m/2相

连。

堆叠系统组建过程

堆叠方式

堆叠连接拓扑

主交换机选举

确定出堆叠的连接方式和连接拓扑，完成成员交换机之间的物理连接之后，所有成员交换机上电。此时，堆

叠系统开始进行主交换机的选举。

备交换机选举

软件、配置同步

堆叠管理与配置文件

叠成员退出

堆叠成员退出是指成员交换机从堆叠系统中离开。根据退出成员交换机角色的不同，对堆叠系统的影响也有所

不同：

▫ 当主交换机退出，备份交换机升级为主交换机，重新计算堆叠拓扑并同步到其他成员交换机，指定新的备交换机，之

后进入稳定运行状态。

▫ 当备交换机退出，主交换机重新指定备交换机，重新计算堆叠拓扑并同步到其他成员交换机，之后进入稳定运行状态。

▫ 当从交换机退出，主交换机重新计算堆叠拓扑并同步到其他成员交换机，之后进入稳定运行状态。

堆叠成员加入

堆叠成员加入是指向已经稳定运行的堆叠系统添加一台新的交换机：

▫ 将未上电的交换机连线加入堆叠之后再上电启动，新加入的交换机会选举为从交换机，堆叠系统中原有主备从角色不

变。

▫ 角色选举结束后，主交换机更新堆叠拓扑信息，同步到其他成员交换机上，并向新加入的交换机分配堆叠ID（新加入

的交换机没有配置堆叠ID或配置的堆叠ID与原堆叠系统的冲突时）。

▫ 新加入的交换机更新堆叠ID，并同步主交换机的配置文件和系统软件，之后进入稳定运行状态。

堆叠合并

• 堆叠合并是指稳定运行的两个堆叠系统合并成一个新的堆叠系统。

• 例如：已上电的一台交换机并且配置了堆叠（已形成单机堆叠），通过堆叠线缆与已经在运行的堆叠系统连

接。该过程为堆叠合并，与堆叠加入不同。

堆叠分裂

堆叠分裂是指稳定运行的堆叠系统中带电移出部分成员交换机，或者堆叠线缆多点故障导致一个堆叠系统变成

多个堆叠系统。

堆叠分裂引起的问题

由于堆叠系统中所有成员交换机都使用同一个IP地址（VLANIF接口地址）和MAC地址（堆叠系统MAC），一个堆

叠系统分裂后，可能产生多个具有相同IP地址和MAC地址的堆叠系统，从而引起网络故障，为此必须进行IP地址

和MAC地址的冲突检查。

MAD检测

• 多主检测MAD（Multi-Active Detection）：一种检测和处理堆叠分裂的协议，链路故障导致堆叠系统分裂后，

MAD可以实现堆叠分裂的检测、冲突处理和故障恢复，降低堆叠分裂对业务的影响。

• MAD检测方式有两种：直连检测方式和代理检测方式。在同一个堆叠系统中，两种检测方式互斥，不可以同

时配置。

MAD检测 - 直连检测

直连检测方式是指堆叠成员交换机间通过普通线缆直连的专用链路进行多主检测。在直连检测方式中，堆叠系

统正常运行时，不发送MAD报文；堆叠系统分裂后，分裂后的两台交换机以1秒为周期通过检测链路发送MAD报

文进行多主冲突处理。

MAD检测 - 代理检测

代理检测方式是在堆叠系统Eth-Trunk上启用代理检测，在代理设备上启用MAD检测功能。此种检测方式要求堆

叠系统中的所有成员交换机都与代理设备连接，并将这些链路加入同一个Eth-Trunk内。与直连检测方式相比，

代理检测方式无需占用额外的接口，Eth-Trunk接口可同时运行MAD代理检测和其他业务。

MAD冲突处理 (1)

堆叠分裂后，MAD冲突处理机制使用MAD报文进行MAD竞争，竞争结果为堆叠系统处于Detect状态

或者Recovery状态：

▫ Detect：竞争成功，堆叠系统将处于正常工作状态。

▫ Recovery：竞争失败，堆叠系统将状态处于禁用状态，关闭除手动配置的保留端口以外的其它所有物理端

口。

MAD冲突处理 (2)

堆叠主备倒换

• 如果堆叠系统当前的主交换机不是用户期望的，此时可以通过配置主备倒换实现将堆叠备交换机升为堆叠主

交换机。

• 除了用户通过命令执行的主备倒换之外，主交换机故障重启也会引起主备倒换。

堆叠升级

堆叠升级方式有三种：智能升级、传统升级和平滑升级。

▫ 智能升级：堆叠建立或者新的交换机加入堆叠时会自动和主交换机的版本进行同步。

▫ 传统升级：和普通设备升级一样，指定下次启动版本，重启整个堆叠系统进行升级，会造成较长时间的业务中断。

▫ 平滑升级：将堆叠系统划分成为active、backup区域，可以分区域升级，整个堆叠系统的上下行采用备份组网，主、备

链路分别处于active、backup区域，可以实现升级时的业务不中断。

跨设备链路聚合 (1)

• 堆叠支持跨设备链路聚合技术，堆叠后成为逻辑上的一台交换机，支持将Eth-Trunk的成员接口分布在不同的

成员交换机上。

• 当其中一条聚合链路故障或堆叠中某台成员交换机故障时，Eth-Trunk接口通过堆叠线缆将流量重新分布到其

他聚合链路上，实现了链路间和设备间的备份，保证了数据流量的可靠传输。

跨设备链路聚合 (2)

流量本地优先转发 (1)

链路聚合的负载分担算法根据流量特征将报文分担在不同的成员链路上，对于跨设备链路聚合极有

可能出现报文的出接口和入接口不在同一台成员设备之上的情况，此时堆叠成员之间将会通过堆叠

线缆转发流量，这增加了堆叠线缆的流量负担，同时也降低了转发效率。

流量本地优先转发 (2)

为保证流量转发效率、降低堆叠线缆带宽负载，设备可以开启流量本地优先转发，从本设备进入的

流量优先从本地转发出去，当本设备无出接口或者出接口全部故障，才会从其它成员交换机的接口

转发出去。

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