设备硬件与软件系统构建高可靠运营商网络

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前言

运营商网络与个人网络产品存在本质区别。为确保提供持续稳定的网络服务，运营商设备从硬件和软件两个关键层面构建了完善的可靠性保障体系。在硬件层面， 通过电源冗余、风扇冗余、单板冗余等设计实现物理设备的高可用性；在 软件层面，则采用设备堆叠、热备份、链路聚合等技术手段提升系统的容错能力和业务连续性。这正是我们今天将要深入探讨的核心主题。

硬件冗余

以一台企业级的路由器为例

单板

网络设备单板类型多样，以下主要介绍MPU、SFU、LPU三类核心单板，以及如何实现冗余的。

MPU， 控制管理，主要负责系统的控制和管理工作，包括路由计算、设备管理和维护、设备监控等；同时作为系统同步单元，提供高精度、高可靠性的同步时钟、时间信号。 1:1冗余备份工作方式。

SFU， 数据交换，主要负责LPU之间的信元交换，与主控板之间进行以太通讯，接收主控板的集中控制和管理，同时支持对单板上温度、电压等信息监控。采用 2+1备份方式。3个交换网单元同时分担业务数据的处理工作，当有1个交换网单元损坏或更换时，另外2个交换网单元将自动分担其业务，保证业务数据不会中断，提高了系统可靠性。

LPU， 接口接入，集成了线路处理功能，是日常运维中涉及数据配置（如接口增删、业务开通）最频繁的单板。需特别说明的是：LPU单板本身不提供板间冗余机制，各单板数据相互独立。不过，当单个端口或某块LPU单板发生故障时，系统可将故障端口的业务数据迁移至其他正常LPU单板承载，从而临时实现业务冗余（注：现网场景通常不采用此方式，后续将结合实际部署策略详细说明）。

电源

连接外部配电系统，为接入所需电源。PEM模块的右半部分与左半部分分别对应A、B供电平面。 A、B两个供电平面指客户侧提供的两个不同源的配电系统。设备接到两个不同的供电系统从而保证系统正常运行，当机房一个供电系统出故障时不会导致整机掉电。

风扇

风扇模块也通常是冗余设计的，当一个风扇故障时，其他风扇可以保持散热效果，防止交换机过热。

软件冗余

堆叠

堆叠是指将多台支持堆叠特性的交换机通过堆叠线缆连接在一起，从逻辑上虚拟成一台交换设备，作为一个整体参与数据转发。堆叠是目前广泛应用的一种横向虚拟化技术，具有提高可靠性、扩展端口数量、增大带宽、简化组网等作用。

提高可靠性

堆叠系统多台成员交换机之间形成冗余备份，如下图所示，SwitchA和SwitchB组成堆叠系统，SwitchA和SwitchB相互备份，SwitchA故障时，SwitchB可以接替SwitchA保证系统的正常运行。另外，堆叠系统支持跨设备的链路聚合功能，也可以实现链路的冗余备份。

堆叠示意图

扩展端口数量

如下图所示，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，可以增加新交换机与原交换机组成堆叠系统扩展端口数量。

扩展端口数量示意图

增大带宽

如下图所示，当需要增大交换机上行带宽时，可以增加新交换机与原交换机组成堆叠系统，将成员交换机的多条物理链路配置成一个聚合组，提高交换机的上行带宽。

增大带宽示意图

简化组网

如下图所示，网络中的多台设备组成堆叠，虚拟成单一的逻辑设备。简化后的组网不再需要使用MSTP等破环协议，简化了网络配置，同时依靠跨设备的链路聚合，实现单设备故障时的快速切换，提高可靠性。

简化组网示意图

# 堆叠命令

[SW] interface stack-port 0/1
[SW-stack-port0/1] port interface xgigabitethernet 0/0/28 enable  //将物理接口加入逻辑堆叠口1

双机热备

双机热备是一种通过两台设备共同承担业务流量来提升网络可靠性的技术，当主用设备出现故障时，备用设备能够平滑地接替主用设备的工作，从而实现业务的不间断运行。

双机热备需要两台硬件和软件配置均相同的设备。两台设备之间通过一条独立的链路连接，这条链路通常被称之为“ 心跳线”。两台设备通过心跳线了解对端的健康状况，向对端备份配置和表项（如会话表等）。 当一台设备出现故障时，业务流量能平滑地切换到另一台设备上处理，使业务不中断。

VRRP

虚拟路由冗余协议VRRP通过把几台路由设备联合组成一台虚拟的路由设备， 将虚拟路由设备的IP地址作为用户的默认网关实现与外部网络通信。当网关设备发生故障时，VRRP机制能够选举新的网关设备承担数据流量，从而保障网络的可靠通信。

冗余备份

VRRP可以将多台路由设备配置为缺省网关路由器，当出现单点故障的时候通过备份链路进行业务传输，从而降低网络故障的可能性，保证用户的各种业务不中断传输。

负载分担

VRRP可以实现多台设备同时承担业务流量，从而减轻主用设备上数据流量的承载压力，在路由设备之间更均衡地分担流量。

联动功能

# SW01
interface Vlanif100
 ip address 10.1.1.1 255.255.255.0
 vrrp vrid 1 virtual-ip 10.1.1.111
 vrrp vrid 1 priority 120
 vrrp vrid 1 preempt-mode timer delay 20
#
interface GigabitEthernet1/0/2
 port hybrid pvid vlan 100
 port hybrid untagged vlan 100

# SW02
interface Vlanif100
 ip address 10.1.1.2 255.255.255.0
 vrrp vrid 1 virtual-ip 10.1.1.111
#
interface GigabitEthernet1/0/2
 port hybrid pvid vlan 100
 port hybrid untagged vlan 100

链路聚合

以太网链路聚合Eth-Trunk简称链路聚合，通过将多个物理接口捆绑为一个逻辑接口，可以在不进行硬件升级的条件下，达到增加链路带宽的目的。

增加带宽

链路聚合接口的最大带宽可以达到各成员接口带宽之和。

提高可靠性

当某条活动链路出现故障时，流量可以切换到其他可用的成员链路上，从而提高链路聚合接口的可靠性。

负载分担

在一个链路聚合组内，可以实现在各成员活动链路上的负载分担。

interface Eth-Trunk1
 port link-type trunk 
 port trunk allow-pass vlan 10 20
 load-balance src-dst-mac 

结语

通过对运营商网络可靠性保障体系的深入剖析，我们清晰地看到了运营商网络与个人网络产品之间的本质差异。运营商网络作为支撑社会信息基础设施的核心支柱，其可靠性要求远超普通个人网络产品。在硬件层面，电源冗余、风扇冗余、单板冗余等设计为物理设备提供了坚实的可靠性基础，确保了单点故障不会导致整个系统的瘫痪。而在软件层面，设备堆叠、热备份、链路聚合等先进技术的应用，则进一步提升了系统的容错能力和业务连续性，使得网络服务能够在各种复杂情况下保持稳定运行。