基于RSTP+HSRP的双通道负载均衡的研究与仿真
2022-07-25李春平
李春平
（广东白云学院大数据与计算机学院，广州 510000）
0 引言
HSRP（hot standby router protocol）即热备份路由器协议，是思科专有协议，为IPv4 主机提供第一跳冗余。所谓第一跳冗余是指在末节网络中为用户主机提供网关冗余。HSRP 是实现第一跳冗余的专有协议，它的主要原理是将多个三层设备（路由器或三层交换机）关联在一起组成一个虚拟的路由器，用虚拟路由器的IP 充当网关。当有数据包需要转发时，活动的HSRP路由器将承担路由转发功能，向本地网络中的用户主机提供默认网关服务。如果活动路由器不能正常工作时，备用路由器将自动激活，接管活动路由器的角色，用户不需要对主机进行任何配置更改。
在网络中，链路上会承载不同的用户、不同的业务、不同的工作任务形成的数据流量。负载均衡是将这些数据流量均摊到不同的链路单元上操作执行，实现数据流的协同处理，以此提高网络承载能力，增加数据吞吐量，加快响应速度，增强网络的灵活性和可用性。
在不同的RSTP 快速生成树协议类型中，PVST+协议是思科专有协议，它支持在每个VLAN 上启用RSTP，可以为不同的VLAN 组配置2个或更多根交换机，并利用冗余链路实现负载均衡。
1 典型网络应用
以一个中小型局域网为例，该网络按照典型的网络设计原则进行分层。接入层交换机收集来自用户终端的数据流量，并将响应数据流返回给用户。中间通过汇集层交换机进一步汇聚流量，再往上通过核心层交换机连接到边界路由器，边界路由器通过Internet 接入网再连接到外网。中间的汇聚层由具有路由功能的三层交换机担任数据流转发任务。在汇聚交换机上，为了防止单点链路故障，配备了双通道，即由两台三层交换机组成。同时，为了防止环路，需要启用生成树协议。双通道中，采用HSRP热备份协议实现冗余路由，为了提高链路利用率和数据同行效率，双通道可同时工作，承担数据流的传输，实现负载均衡。
1.1 拓扑设计
网络拓扑由3 台三层交换机、1 台路由器、1台服务器、若干台终端客户机组成，采用以太网形式组网。拓扑设计如图1所示。
图1 网络拓扑图
1.2 网路地址参数及VLAN规划
根据网络拓扑图设计，参照各设备的邻居关系，建立拓扑数据库，如表1所示。
表1 拓扑数据库
网络中VLAN 规划、RSTP 优先级、HSRP参数及状态如表2所示。
表2 VLAN规划及相关参数
路由器及终端客户机配置参数如表3所示。
表3 路由器及终端客户机IP地址参数
2 仿真过程
2.1 VLAN及其TRUNK中继链路创建
2.1.1 VTP的作用
在大型的园区网中，网络拓扑较为复杂，在进行网络规划时，需要将网络进行逻辑分段，根据组织结构或不同功能需求划分不同的VLAN，以方便网络管理和提高网络安全性。由于在接入层和汇聚层涉及到的交换机较多，如果在每台设备上手工去划分VLAN，不仅会给网络工程师带来工作量增加的困扰，同时也可能因配置错误，导致全网地址规划一致性出现冲突。因此，在VLAN 配置时引入VTP 机制，可有效解决这一类问题。
VTP 可以实现VTP 域内VLAN 的同步，以client-server 的模式工作。在服务器上配置的VLAN信息，可以完整地传递给VTP域内的所有处于客户机工作模式的交换机，从而减轻VLAN的重复配置形成的工作量。VTP 服务器维护整个网络上同一个VTP 域的VLAN 的添加和重命名工作，确保配置的一致性。
2.1.2 配置VTP
VTP 的配置主要包括定义VTP 域、版本号、工作模式、密码等。本例中，域名设置为byxy，版本号为2，S1-lcp 交换机工作在服务器模式，S2-lcp、S3-lcp交换机工作在客户机模式，密码统一设置为123456。
（1）S1-lcp交换机作为VTP服务器
S1-lcp（config）#vtp domain byxy
S1-lcp（config）#vtp version 2
S1-lcp（config）#vtp mode server
S1-lcp（config）#vtp password 123456
（2）S2-lcp交换机作为VTP客户端
S2-lcp（config）#vtp domain byxy
S2-lcp（config）#vtp mode client
S2-lcp（config）#vtp password 123456
（3）S3-lcp交换机作为VTP客户端
S3-lcp（config）#vtp domain byxy
S3-lcp（config）#vtp mode client
S3-lcp（config）#vtp password 123456
2.1.3.配置trunk
S1-lcp、S2-lcp、S3-lcp 交换机之间的链路设置为TRUNK 中继链路模式，VLAN 封装格式为dot1q 即802.1q，端口禁止协商，防止链路自动协商为TRUNK模式。
（1）S1-lcp交换机配置
S1-lcp（config）#interfaceerface range f0/23-24
S1-lcp（config-if-range）# switchport trunk encapsulation dot1q
S1-lcp（config-if-range）# switchport mode trunk
S1-lcp（config-if-range）# switchport trunk native vlan 199
S1-lcp（config-if-range）# switchport nonegotiate
（2）S2-lcp交换机配置
S2-lcp（config）#interfaceerface range f0/22,f0/24
S2-lcp（config-if-range）# switchport trunk encapsulation dot1q
S2-lcp（config-if-range）# switchport mode trunk
S2-lcp（config-if-range）# switchport trunk native vlan 199
S2-lcp（config-if-range）# switchport nonegotiate
（3）S3-lcp交换机配置
S3-lcp（config）#interfaceerface range f0/22-23
S3-lcp（config-if-range）#switchport trunk encapsulation dot1q
S3-lcp（config-if-range）# switchport mode trunk
S3-lcp（config-if-range）# switchport trunk native vlan 199
S3-lcp（config-if-range）# switchport nonegotiate
配置完成后，可在交换机里查看端口的TRUNK 模式。使用show interfaceerfaces trunk 命令查看S1-lcp 交换机的端口TRUNK 模式参数与状态如下：
（4）查看端口TRUNK
S1-lcp#show interfaceerfaces trunk
Port Mode Encapsulation Status Native vlan
Fa0/23 on 802.1q trunking 199
Fa0/24 on 802.1q trunking 199
Port Vlans allowed on trunk
Fa0/23 1-1005
Fa0/24 1-1005
2.1.4 VTP服务器上创建VLAN
S1-lcp 交换机已经配置VTP 服务器，作为主控节点，为全网VLAN 创建、修改和重命名提供服务，确保VLAN配置一致性。
S1-lcp（config）#vlan 2
S1-lcp（config-vlan）#name V2
S1-lcp（config-vlan）#exit
S1-lcp（config）#vlan 3
S1-lcp（config-vlan）#name v3
S1-lcp（config-vlan）#exit
S1-lcp（config）#vlan 10
S1-lcp（config-vlan）#name v10
S1-lcp（config-vlan）#exit
S1-lcp（config）#vlan 20
S1-lcp（config-vlan）#name v20
S1-lcp（config-vlan）#exit
其它交换机配置为同一域名内的客户端，自动接受VTP 服务器的VLAN 配置，因此不需要在客户端上做VLAN 配置。在S3-lcp 交换机上检验VTP 状态，显示为byxy 域内的一台客户端。
S3-lcp#show vtp status
VTP Version capable:1 to 3
VTP version running :2
VTP Domain Name:byxy
VTP Pruning Mode:Disabled
VTP Traps Generation:Disabled
Device ID:00D0.BA44.9200
Configuration last modified by 0.0.0.0 at 3-1-93 01:00:53
Feature VLAN:
--------------
VTP Operating Mode:Client
Maximum VLANs supported locally:1005
Number of existing VLANs:9
Configuration Revision:11
MD5 digest: 0x1F 0x75 0xB7 0x77 0x2C 0xC8 0x0B 0xBE 0xF9 0x20 0x16 0xF6 0x8F 0x11 0x8F 0x57
在S3-lcp 交换机上检查VLAN 的摘要信息，显示VLAN2、VLAN3、VLAN10、VLAN20 已经创建好了。
2.1.5 VLAN端口划分
为VLAN 添加接口成员，设置接口模式为访问（access）模式。
（1）S1-lcp交换机配置
S1-lcp（config）#interface f0/1
S1-lcp（config-if）#switchport mode access
S1-lcp（config-if）#switchport access vlan 10
（2）S2-lcp交换机配置
S2-lcp（config）#interface f0/1
S2-lcp（config-if）#switchport mode access
S2-lcp（config-if）#switchport access vlan 20
（3）S3-lcp交换机配置
S3-lcp（config）#interface f0/1
S3-lcp（config-if）#switchport mode access
S3-lcp（config-if）#switchport access vlan 2
S3-lcp（config-if）#exit
S3-lcp（config）#interface f0/2
S3-lcp（config-if）#switchport mode access
S3-lcp（config-if）#switchport access vlan 3
（4）查看VLAN摘要信息
从VLAN 摘要信息里可以看出，VLAN2和VLAN3里已经有活动成员了。
2.1.6 配置SVI
参照前面表2 VLAN 规划及相关参数配置里的内容，配置交换机各个虚拟接口即VLAN 的IP地址和子网掩码参数。
（1）S1-lcp交换机配置
S1-lcp（config）#interface vlan 10
S1-lcp（config-if）#ip address 10.45.12.2 255.255.255.0
S1-lcp（config-if）#exit
S1-lcp（config）#interface vlan 2
S1-lcp（config-if）#exit
S1-lcp（config）#interface vlan 3
S1-lcp（config-if）#ip address 10.45.3.252 255.255.255.0
S1-lcp（config-if）#exit
（2）S2-lcp交换机配置
S2-lcp（config）#interface vlan 20
S2-lcp（config-if）#ip address 10.45.13.2 255.255.255.0
S2-lcp（config-if）#exit
S2-lcp（config）#interface vlan 2
S2-lcp（config-if）#ip address 10.45.2.253 255.255.255.0
S2-lcp（config-if）#exit
S2-lcp（config）#interface vlan 3
S2-lcp（config-if）#ip address 10.45.3.253 255.255.255.0
2.2 生成树协议
由于网络拓扑中存在冗余链路，如果不加处理，将导致链路形成环路，容易导致重复帧、MAC 地址表不稳定以及形成广播风暴，从而给网络带来不稳定。生成树协议主要用来防止环路的出现。生成树协议会将网络中的冗余链路修剪成一棵树的形态，将冗余链路上的端口阻塞掉，从而避免环路形成对网络带来的不利影响。当主链路上的端口不能正常工作时，备份端口将自动激活变为转发状态，承担链路中的数据帧转发功能。
2.2.1 配置RSTP
采用RSTP 快速生成树协议，以提高收敛速度。使用spanning-tree vlan vlan-id priority value命令配置的作用是将流量在汇聚层分流。本例中，来自VLAN2的流量将通过S1-lcp转发，来自VLAN3 的流量将通过S2-lcp 转发，从而实现负载均衡。同时，在边缘端口上启用了bpdu 防护，该端口在连接PC 时将立即进入转发状态，当该端口连接到其它交换机上时，该端口将被禁止。具体配置如下：
（1）S1-lcp交换机配置
S1-lcp（config）#spanning-tree mode rapid-pvst
S1-lcp（config）#spanning-tree vlan 2 priority 4096
S1-lcp（config）#spanning-tree vlan 3 priority 8192
S1-lcp（config）#interface f0/1
S1-lcp（config-if）#spanning-tree portfast
S1-lcp（config-if）#spanning-tree bpduguard enable
（2）S2-lcp交换机配置
S2-lcp（config）#spanning-tree mode rapid-pvst
S2-lcp（config）#spanning-tree vlan 2 priority 8192
S2-lcp（config）#spanning-tree vlan 3 priority 4096
S2-lcp（config）#interface f0/1
S2-lcp（config-if）#spanning-tree portfast
S2-lcp（config-if）#spanning-tree bpduguard enable
（3）S3-lcp交换机配置
S3-lcp（config）#spanning-tree mode rapid-pvst
S3-lcp（config）#interface ran f0/1-2
S3-lcp（config-if-range）#spanning-tree portfast
S3-lcp（config-if-range）#spanning-tree bpduguard enable
2.2.2 检验生成树参数及状态
RSTP 中端口状态有禁止（discarding）、学习（learning）和转发（forwarding）3种状态。查看S3-lcp 交换机生成树协议状态，可以看到里面相关端口已经处于转发状态了。
2.3 路由协议
本网络中采用RIPV2 动态路由协议实现全网路由分布与自动更新，具体配置过程如下：
2.3.1 各设备RIPV2协议部署
R1-lcp（config）#router rip
R1-lcp（config-router）#version 2
R1-lcp（config-router）#no auto-summary
R1-lcp（config-router）#network 10.45.0.0
S1-lcp（config）#ip routing
S1-lcp（config）#router rip
S1-lcp（config-router）#version 2
S1-lcp（config-router）#no auto-summary
S1-lcp（config-router）#network 10.45.0.0
S2-lcp（config）#router rip
S2-lcp（config-router）#version 2
S2-lcp（config-router）#no auto-summary
S2-lcp（config-router）#network 10.45.0.0
2.3.2 检查路由协议工作状况
R1-lcp#show ip route rip
10.0.0.0/8 is variably subnetted,8 subnets,2 masks
R 10.45.2.0/24［120/1］via 10.45.13.2,00:00:14,GigabitEthernet0/1
［120/1］via 10.45.12.2,00:00:14,GigabitEthernet0/0
R 10.45.3.0/24［120/1］via 10.45.13.2,00:00:14,GigabitEthernet0/1
［120/1］via 10.45.12.2,00:00:14,GigabitEthernet0/0
S1-lcp#show ip route rip
10.0.0.0/24 is subnetted,5 subnets
R 10.45.4.0［120/1］via 10.45.12.1,00:00:20,Vlan10
R 10.45.13.0［120/1］via 10.45.2.253,00:00:17,Vlan2
［120/1］via 10.45.3.253,00:00:17,Vlan3
［120/1］via 10.45.12.1,00:00:20,Vlan10
S2-lcp#show ip route rip
10.0.0.0/24 is subnetted,5 subnets
R 10.45.4.0［120/1］via 10.45.13.1,00:00:22,Vlan20
R 10.45.12.0［120/1］via 10.45.13.1,00:00:22,Vlan20
［120/1］via 10.45.2.252,00:00:28,Vlan2
［120/1］via 10.45.3.252,00:00:28,Vlan3
通过查看路由表，各设备上的路由表已建立，路由表项中的路由是完备的，工作正常。
2.4 第一跳冗余协议
采用HSRP协议作为冗余路由，实现第一跳冗余路由备份。具体实现过程如下：
（1）S1-lcp交换机配置
S1-lcp（config）#interface vlan 2
S1-lcp（config-if）#standby 2 ip 10.45.2.254
S1-lcp（config-if）#standby 2 priority 105
S1-lcp（config-if）#standby 2 preempt
S1-lcp（config-if）#standby 2 track FastEthernet0/1
S1-lcp（config）#interface vlan 3
S1-lcp（config-if）#standby 3 ip 10.45.3.254
S1-lcp（config-if）#standby 3 preempt
（2）S2-lcp交换机配置
S2-lcp（config）#interface vlan 2
S2-lcp（config-if）#standby 2 ip 10.45.2.254
S2-lcp（config-if）#standby 2 preempt
S2-lcp（config）#interface vlan 3
S2-lcp（config-if）#standby 3 ip 10.45.3.254
S2-lcp（config-if）#standby 3 priority 105
S2-lcp（config-if）#standby 3 preempt
S2-lcp（config-if）#standby 3 track f0/1
（3）查看standby摘要信息
在S1-lcp、S2-lcp 交换机上分别执行show standby brief 命令，查看standby 摘要信息，在S1-lcp交换机上，Vl2被编入第2组虚拟路由器，其优先级为105，处于活动状态，活动路由器为本地，其IP 地址是10.45.2.252，备用路由器为10.45.2.253，虚拟路由器IP 为10.45.2.254；Vl3被编入第3 组虚拟路由器，其优先级为默认100， 处 于 备 用 状 态， 虚 拟 路 由 器IP 为10.45.3.254。而在S3-lcp交换机上，情况正好相反，Vl2 所在的第2 组虚拟路由器优先级比Vl3所在的第3 组虚拟路由器优先级低，因此第2 组处于备用状态，第3组处于活动状态。
3 测试与分析
3.1 抢占测试与分析
在S1-lcp交换机上，第2组虚拟路由器的优先级为105，第3 组虚拟路由器的优先级为默认值100，Grp2 的优先级比Grp3 的优先级高，因此Grp2 处于活动状态，Grp3 处于备用状态。为了测试链路断开，HSRP 的抢占情况，不妨主动将S1-lcp上的f0/1端口关闭。
（1）f0/1 端口关闭之前，查看S1 的standby摘要信息，显示Grp2 处于活动状态，Grp3 处于备用状态。
（2）f0/1 端口关闭之后，再次查看S1-lcp 的standby摘要信息，显示Grp2和Grp3均处于备用状态。
由于VLAN2 的Grp2 上设置了跟踪f0/1 端口的状态，当f0/1 端口关闭时，这个状态变化会被S1-lcp 捕获到，HSRP 的优先级会发生变化，链路断开将使优先级减10，链路重新恢复优先级加10。测试过程表明，Grp2 的状态变成了Standby，即备用状态。
为了继续验证抢占过程，重新激活f0/1 端口，这个时候Grp2 的优先级重新恢复到了105，变成了活动状态，接管了VLAN2 流量的转发任务。
3.2 负载均衡测试与分析
将PC1 的IP 地址和默认网关分别设置为10.45.2.100和10.45.2.254，PC2的IP地址和默认网关分别设置为10.45.3.100和10.45.3.254。
3.2.1 客户端ARP缓存情况
ARP 缓存的作用是，将主机IP 地址和MAC地址建立映射并暂存，当与外部主机通信时，在数据封装时就不需要通过广播去查询IP 地址对应的MAC 地址，从而提高数据封装和发送的速度。
（1）PC1访问服务器
C:>ping 10.45.4.100
Pinging 10.45.4.100 with 32 bytes of data:
Reply from 10.45.4.100:bytes=32 time<1ms TTL=126
Reply from 10.45.4.100:bytes=32 time<1ms TTL=126
Reply from 10.45.4.100:bytes=32 time<1ms TTL=126
Reply from 10.45.4.100:bytes=32 time<1ms TTL=126
（2）查询ARP缓存情况
C:>arp-a
Internet Address Physical Address Type
10.45.2.253 0090.219e.8d01 dynamic
10.45.2.254 0000.0c07.ac02 dynamic
（3）PC2访问服务器
C:>ping 10.45.4.100
Pinging 10.45.4.100 with 32 bytes of data:
Reply from 10.45.4.100:bytes=32 time<1ms TTL=126
Reply from 10.45.4.100:bytes=32 time<1ms TTL=126
Reply from 10.45.4.100:bytes=32 time<1ms TTL=126
Reply from 10.45.4.100:bytes=32 time=1ms TTL=126
（4）查询ARP缓存情况
C:>arp-a
Internet Address Physical Address Type
10.45.3.252 0001.4204.4902 dynamic
10.45.3.254 0000.0c07.ac03 dynamic
通过查询ARP 缓存，两台PC 机里各有两个映射，其中一个IP 地址是虚拟路由器IP，另一个则是虚拟路由器组中的VLAN的IP。
3.2.2 双通道负载均衡检验分析
（1）由于在RSTP 快速生成树协议中对不同的VLAN 设置了不同的优先级，因此，来自不同VLAN 的流量会沿着不同的通道传输。在PC1上使用tracert 跟踪数据包传输路径：
C:>tracert 10.45.4.100
Tracing route to 10.45.4.100 over a maximum of 30 hops:
1 6 ms 0 ms 0 ms 10.45.2.252
2 0 ms 0 ms 0 ms 10.45.12.1
3 0 ms 1 ms 0 ms 10.45.4.100
Trace complete.
通过tracert 跟踪数据包，不难发现，数据包传输路径为PC1→S3-lcp→S1-lcp→R1-lcp→Server0。由于PC1 被分配在VLAN2，因此在链路不发生故障的情况下，来自VLAN2的流量将沿这条路径传输。
（2）再通过PC2 观察，跟踪数据包传输路径：
C:>tracert 10.45.4.100
Tracing route to 10.45.4.100 over a maximum of 30 hops:
1 0 ms 0 ms 0 ms 10.45.3.253
2 0 ms 0 ms 0 ms 10.45.13.1
3 0 ms 0 ms 0 ms 10.45.4.100
Trace complete.
通过tracert 跟踪数据包，不难发现，数据包传输路径为PC2→S3-lcp→S2-lcp→R1-lcp→Server0。由于PC2被分配在VLAN3，因此在链路不发生故障的情况下，来自VLAN3的流量将沿这条路径传输。
上述两台终端主机向同一个目的主机10.45.4.100 发送探测数据包，由于流量来自不同的VLAN，因此数据包分别沿不同的路径传输，抵达目的地，验证了链路上双通道负载均衡的实现。
4 结语
在部署企业网络时，通常需要考虑到VLAN规划、备份链路、冗余路由以及负载均衡等问题。在具体实施过程中，可采用VTP 对VLAN及其TRUNK 实现配置统一性管理；采用RSTP快速生成树协议解决冗余链路形成的环路问题，同时利用冗余链路实现负载均衡；采用HSRP实现热备份路由，为用户提供透明的冗余路由服务。仿真实验研究表明，文中综合应用HSRP和RSTP 实现双通道负载均衡，获得了较好的应用效果。在中大型园区网中，可以通过部署多通道实现大流量的负载均衡，增加数据处理能力，减少网络拥塞的发生，提高网络使用效率，保证网络的可用性。
