Стекирование коммутаторов Cisco. Часть 1

  • 27.10.2015
  • 611

Автор
Сергей Калашников, CCIE

Технический директор


Стекирование коммутаторов Cisco. Часть 1

В данной статье (будет состоять из двух частей) хотел бы кратко пройтись по основным технологиям стекирования коммутаторов Cisco. Попробуем разобраться с общей архитектурой передачи пакетов в рамках каждого типа стека, реакцией на отказы, а также с цифрами пропускной способности. В первой части мы рассмотрим технологии StackWise и StackWise Plus. Во второй части — StackWise-160, StackWise-480, FlexStack и FlexStack Plus.

Сейчас функционалом стекирования никого не удивишь. Он есть во многих моделях коммутаторов различных производителей, в том числе и у Cisco. Но так было не всегда. На заре моей карьеры (где-то середина двухтысячных) в области сетевых технологий в портфеле компании Cisco был всего один коммутатор с поддержкой полноценного стека. Это была модель коммутатора Cisco 3750. Псевдо стеки на базе 2950 и 3550 в ту пору уже практически умерли. На тот момент меня, как молодого специалиста, очень удивлял факт того, что вопросу стекирования коммутаторов компанией Cisco уделялось так мало внимания. При этом, например, у коммутаторов 3com (прим. куплен компанией HP), которые в то время были достаточно популярны, стекирование поддерживалось достаточно на большом перечне моделей. Также обстояли дела и у Allied Telesis. Я даже помню, как приверженцы продукции Cisco мне объясняли, что стекирование – это плохо, и в продакшене данную технологию не стоит использовать. Жаль, уже не помню точных формулировок, но речь шла вроде о стабильности работы. Стоит заметить, что в то время основными доводами в пользу стекирование было упрощение управления (во всяком случае, на тот момент мне казалось именно так). Т.е. вместо того, чтобы настраивать отдельно два или более устройства, стек даёт нам возможность получить один большой коммутатор.

Шло время. Многие осознали плюсы стекирования. И сейчас большая часть коммутаторов Cisco поддерживет данную технологию. В настоящее время, говоря о стекировании, стоит разделять стек на уровне доступа (там, где подключаем обычных пользователей) и стек во всех остальных случаях.

В первом случае основной причиной объединения коммутаторов в стек является упрощение администрирования. В какой-то момент времени мне даже стало казаться, что это уже совсем не актуально и является больше маркетинговым моментом. Но не так давно в общении с заказчиком, у которого большой парк автомобилей сетевых устройств, выяснил, что главной причиной объединения коммутаторов в стек на уровне доступа стало именно это.

Во всех остальных случаях, на мой взгляд, основным «за» в пользу стека стала возможность организации относительно недорогой схемы отказоустойчивости в сети (как на уровне ядра сети, так и при подключении серверного оборудования). Стек позволяет нам агрегировать физические каналы, заведённые на разные коммутаторы, в один логический. Это обеспечивает нас не только большей пропускной способностью (за счёт утилизации одновременно нескольких каналов) и отказоустойчивостью (выход из строя одного из коммутаторов стека не приведёт к остановке сети), но и в ряде случаев даёт возможность полностью отказаться от петель. А значит от использования протоколов семейства STP. Т.е. упрощает жизнь, делая топологию сети достаточно простой.

На оборудовании Cisco в зависимости от платформы используются несколько технологий стекирования. Небольшое замечание. Рассматривать будем классические схемы стекирования. Технология VSS останется за кадром.

Технология Платформа Кол-во коммутаторов в стеке Общая пропускная способность стековой шины Необходимость стекового комплекта
StackWise 3750, 3750G 9 32 Гбит/с Нет
StackWise Plus 3750-E, 3750-X 9 64 Гбит/с Нет
StackWise-160 3650 9 160 Гбит/с Да
StackWise-480 3850 9 480 Гбит/с Нет
FlexStack 2960-S, 2960-SF 4 40 Гбит/с Да
FlexStack Plus 2960-X, 2960-XR 8 80 Гбит/с Да

Предлагаю чуточку подробнее разобраться с цифрами общей пропускной способности стековой шины, а также общей архитектурой передачи пакетов в рамках каждого типа стека. Хотел бы пояснить, что под стековой шиной будем подразумевать внутренние интерфейсы и порты, которые обеспечивают стекирование. Её производительность — это суммарная полезная пропускная способность всех стековых портов. Почему я не говорю про общую производительность стека? Это обусловлено тем, что в большинстве технологий при выполнении коммутации пакетов между внутренними портами одного коммутатора, используется лишь внутренняя логика (коммутационная фабрика, ASICи и пр.). В этом случае пакет не попадает на стековую шину. Стековая шина утилизируется только тогда, когда пакет попадает на порт одного коммутатора, а выходит через порт уже другого коммутатора стека.

StackWise

Рассмотрим технологию StackWise. Она является самой пожилой среди остальных. Для соединения коммутаторов в стек по технологии StackWise используется специализированный стековый кабель. При этом отдельного стекового модуля нет, стековые порты сразу встроены в коммутатор (по два порта).

Стекирование коммутаторов Cisco. Часть 1

Пропускная способность стекового кабеля 16 Гбит/с (в каждую сторону). Так как на каждом коммутаторе два стековых порта, пропускная способность стековой шины должна равняться:

16 Гбит/с * 2 (в каждую сторону) * 2 (количество портов) = 64 Гбит/с

Смотрим в спецификацию, а там 32 Гбит/с. Куда делась половина пропускной способности?

В коммутаторах 3750 (3750v2) и 3750G отсутствует как таковая выделенная внутренняя коммутационная фабрика (используется старая архитектура shared-ring switch fabric). Стековые порты подключаются напрямую к внутренней шине коммутатора, становясь её продолжением. Таким образом, коммутаторы одного стека имеют одну большую шину в виде кольца. Данная шина на логическом уровне представляет собой два пути в виде кольца каждый.

Пропускная способность каждого из них — 16 Гбит/с. Эти пути разнонаправленные: пакеты по ним передаются в противоположные стороны. Так как мы имеем общую шину на весь стек, пакет, попав на порт любого коммутатора стека, обязательно пройдёт не только через все внутренние ASIC’и, но и через всё кольцо стека, даже если исходящий порт находится на том же коммутаторе, что и входящий. Причём пакет будет убран с шины, только когда он пройдёт весь круг и вернётся обратно. Это позволяет ASIC’у, который «захватил» один из путей, узнать о том, что пакет дошёл и путь можно освобождать. Такой алгоритм работы можно называть «удаление отправителем» (в терминах Cisco — Source stripped). Выбор пути, по которому отправить пакет, определяется исходя из доступности каждого из них (используется механизм токенов: тот ASIC, который обладает токеном, передаёт данные).

Давайте рассмотрим это на примере (Рис. 2). В нашем случае пакет, попав на порт коммутатора (1), попадает на ASIC, который в свою очередь выбирает синий путь (2) (допустим, он был свободен в этот момент). Далее пакет по синему пути проходит через все коммутаторы (3), попадая в итоге на тот коммутатор, где находится порт назначения (4). Коммутатор отправляет копию пакета (5) через свой локальный порт. Но сам пакет продолжает своё путешествие по стековому кольцу (6), пока не достигнет ASIC’а, который его изначально отправил (7). Только там он будет удалён со стековой шины.

Стекирование коммутаторов Cisco. Часть 1

Таким образом, один и тот же пакет проходит 2 раза через стековые порты коммутатора (сначала через один (3), потом через второй (6) порты). А значит наша общая полезная пропускная способность стековой шины равна 32 Гбит/с (ровно в два раза меньше физической).

А, что будет если один из коммутаторов стека откажет? В этом случае пути замкнутся друг на друга, тем самым образуя одно большое кольцо (Рис. 3). Ровным счётом также поведут себя коммутаторы в случае, если будет отключён один из стековых кабелей.

Стекирование коммутаторов Cisco. Часть 1

Стоит отметить ещё два момента. Два пути «крутятся» в разные стороны. Предполагаю, что это сделано для усреднения задержки передачи пакетов внутри стека. Второй момент заключается в том, что для Stackwise пропускная способность стековой шины равна общей производительности стека, в силу того, что все коммутаторы в стеке используют одну общую шину.

StackWise Plus

Перейдём к технологии StackWise Plus. В коммутаторах 3750E и 3750X была добавлена выделенная коммутационная фабрика (switch fabric). Это позволяет делать локальную коммутацию пакетов без их появления в стековом кольце. Стековые порты заводятся непосредственно на коммутационную фабрику. Теперь за логику работы со стековой шиной отвечает непосредственно коммутационная фабрика. В случае технологии StackWise со стековой шиной работал каждый ASIC отдельно.

В технологии StackWise Plus был использован новый алгоритм обработки пакетов в стеке – «удаление получателем» (в терминах Cisco — Destination stripped, ещё одно наименование Spatial reuse). В данном алгоритме пакет удаляется со стековой шины сразу же, как только он достиг коммутатора, на котором находится исходящий порт (Рис. 4). Теперь для сигнализации о том, что путь можно освобождать используется маленький Ack пакет (8 бит).

Стекирование коммутаторов Cisco. Часть 1

Как и в технологии Stackwise, логически у нас остаётся два пути. Но так как теперь за работу со стековым кольцом отвечает коммутационная фабрика, механизм работы с этими путями усложнился. Как и раньше доступ к тому или иному пути осуществляет с помощью механизма токенов. Получив токен, коммутационная фабрика может передавать пакеты по стековому кольцу. А так как непосредственно пакеты забираются с каждого ASIC’а, за порядок обслуживания каждого ASIC’a отвечает механизм кредитов. Их раздаёт коммутационная фабрика.

Эти новшества позволили увеличить пропускную способность стековой шины до маркетинговых 64 Гбит/с, прировняв полезную пропускную способность к физической. Теперь пакет проходит только один раз через стековый порт коммутатора. Хотел бы обратить внимание, что в обоих технологиях (Stackwise и StackWise Plus) используются одни и те же типы стековых кабелей.

Тут стоит подчеркнуть, что пропускная способность стековой шины не стала равна 64 Гбит/с, она стала стремиться к этой цифре. Почему? Причина в том, что весь трафик broadcast, multicast и unknown unicast продолжает обрабатываться по алгоритму Source stripped. Т.е. эти типы трафика проходят всё кольцо, прежде чем будут удалены со стековой шины. А значит на данные типы трафика расходуется двойная пропускная способность.

В одном стеке допускается использование любых коммутаторов серии 3750. Если в один стек добавить, например, коммутаторы 3750v2 (поддерживают StackWise) и 3750X (StackWise Plus), стек будет работать по технологии StackWise (алгоритм Source stripped). При этом для 3750X коммутация пакетов между локальными портами будет осуществляться только внутри коммутатора без появления на стековой шине. Для коммутаторов 3750v2 пакеты между локальными портами по старинке будут проходить через всю стековую шину.

Давайте кратко коснёмся схемы работы стека на программном уровне. В рамках стека StackWise или StackWise Plus один из коммутаторов выбирается в качестве мастера (stack master). Он выполняет логические операции (control-plane) для всего стека. При его отказе передача unicast трафика продолжается. Это достигается благодаря синхронизации аппаратных таблиц. Между коммутаторами стека синхронизируются MAC-таблица, а также таблицы Cisco Express Forwarding (CEF), а именно FIB и Adjacency table. А вот остальные таблицы, в том числе таблица маршрутизации, таблица передачи multicast трафика, на новом мастере заполняются заново. При этом возможно использование функционала NSF — Nonstop Forwarding. Т.е. control-plane на новом мастере запускается с нуля.

На этом предлагаю прерваться. Продолжение появится в ближайшие дни.

Список литературы

  1. CCIE Routing and Switching v5.0 Official Cert Guide, Volume 1 (5th Edition)
Возможно, вас заинтересует