基于Linux的工业交换机端口聚合功能的设计与实现

中图分类号：TP3论文编号：10006RY0821110硕士学位论文基于Linux的工业交换机端口聚合功能的设计与实现作者姓名学科专业指导教师培养学院符志清软件工程康一梅教授软件学院TheDesignandImplementationofPortAggregationonIndustrialSwitchesBasedonLinuxCandidate：FuZhiqingSupervisor：Prof.KangYimeiSchoolofSoftwareSchoolBeihangUniversity,Beijing,China-ii-中图分类号：TP3论文编号：10006RY0821110硕士学位论文基于Linux的工业交换机端口聚合功能的设计与实现作者姓名符志清申请学位级别硕士指导教师姓名康一梅职称博士学科专业软件工程研究方向嵌入式软件学习时间自2008年9月11日起至2011年2月28日止论文提交日期2010年11月23日论文答辩日期2010年12月26日学位授予单位北京航空航天大学学位授予日期年月日关于学位论文的独创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得北京航空航天大学或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文使用授权书本人完全同意北京航空航天大学有权使用本学位论文（包括但不限于其印刷版和电子版），使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门（机构）送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。保密学位论文在解密后的使用授权同上。学位论文作者签名：指导教师签名：日期：日期：年年月月日日-iv-摘要端口聚合（又称链路聚合）是交换机利用现有端口大幅提升带宽的最有效手段。在美国电气和电子工程师协会（IEEE）制定相关标准之前，各交换机厂商使用自己定义的专用干线（TRUNKING）技术以实现端口聚合功能，解决带宽不足和网络拓扑受环境影响的问题。IEEE于1999年制定了802.3ad标准，以实现通用的标准端口聚合方法。该标准定义了如何将两个以上的高速以太网连接组合起来为高带宽网络连接实现负载共享、负载平衡以及提供更好的稳定性。IEEE802.3ad标准于2000年得到更新，本课题正是基于该版本实现端口聚合功能。802.3ad标准定义了基于CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测方法）的可选链路聚合子层。链路聚合允许一条或多条链路聚合起来形成一个链路聚合组，这样上层协议就可以把一个链路聚合组当作一条单独的链路。最后，它指定了在数据终端设备之间由多条相同数据传输率的全双工点对点链路组成的逻辑链路。为了实现这一点，它定义了一套链路聚合控制协议（LACP），用于在两台配置了基于该标准的端口聚合功能的交换机设备上实现端口聚合的自动协商和状态转换。本文将讨论802.3ad标准的原理、方法和实现机制，并描述本课题基于Linux在嵌入式设备上对端口聚合的设计与实现。关键词：端口聚合数据链路层聚合组聚合链路链路聚合控制协议-i-AbstractPortAggregation(orLinkAggregation)isthemosteffectivemeansforswitchestoupgradethebandwidthwiththecurrenthardwareconfiguration.BeforeIEEE(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers)madethestandardonportaggregation,severalswitchmanufacturershaveimplementedportaggregationbytheirowntechnologynamedTRUNKINGwhichwasasolutiontotheproblemofshortageofbandwidthandthevulnerablenetworktopology.IEEE802.3adStandard,madein1999byIEEE,isusedtoimplementcommonsolutionforportaggregation.ThestandarddefineshowtocombinemorethantwolinkswithEthernetinterfacesinordertoprovideloadbalance,bandwidthenlargementandhighstability.IEEE802.3adStandardwasupdatedin2000.Thisprojectisbaseontheversionin2000.ItdefinesanoptionalLinkAggregationsublayerforusewithCSMA/CDMACs.LinkAggregationallowsoneormorelinkstobeaggregatedtogethertoformaLinkAggregationGroup,suchthataMACClientcantreattheLinkAggregationGroupasifitwereasinglelink.Atlast,itspecifiestheestablishmentofaggregationlogicallinksconsistedofmultiplelinkswiththesamespeedandfullduplex.Toimplementthis,Itdefinesanetworkprotocol,namedLinkAggregationControlProtocol,toexchangeinformationandhandleauto-negotiationandstatuschangebetweentwoswitchesthosehaveconfiguredportaggregationmoduledefinedinIEEE802.3adStandard.Thistextwilldiscusstheprinciple,methodandimplementmechanismofportaggregationbasedonIEEE802.3ad,thendescribetheimplementationofaninstanceinembeddedLinuxsystemwhichwillrunontheindustrialswitches.Keywords:PortAggregation,Datalinklayer,Aggregationgroup,AggregationLink,LACP-ii-目录目录.i第一章绪论.11.1课题背景与意义.11.1.1课题背景.11.1.2课题意义.11.2国内外研究现状.21.2.1国外研究现状.21.2.2国内研究现状.21.2.3对比分析.31.3端口聚合技术的主要内容.31.4课题来源.51.5本文研究内容和结构安排.51.5.11.5.2本文的研究内容.5本文的结构和安排.6第二章2.12.22.32.4第三章3.1系统需求分析.7概述.7系统功能性需求分析.8系统非功能性需求分析.10本章小结.11系统总体设计.12系统总体解决方案.123.2端口聚合类型设计.133.3端口聚合模式选择.143.3.1技术分析.143.3.2技术方案确定.153.4端口聚合模块工作流程设计.153.5用户态模块设计.153.5.1WebService模块.163.5.2应用程序模块.173.5.3启动脚本模块.173.5.4数据库模块.173.5.5动态库模块.183.6内核态模块设计.183.6.13.6.23.6.33.6.4端口聚合子层概述.19端口聚合子层设计原则.21服务接口.22帧收集器.23-i-3.6.5帧分发器.233.6.6标记生成/接收器.243.6.7标记响应器.243.6.8聚合解析器/复用器.243.6.9聚合器.253.6.10控制解析器/复用器.263.7本章小结.27第四章用户态模块详细设计与实现.284.1WebService模块设计与实现.284.2应用程序模块设计与实现.314.3启动脚本模块设计与实现.314.4数据库模块设计与实现.324.5动态库模块设计与实现.33第五章内核态模块详细设计与实现.355.1LACP协议报文结构与相关变量及常量设计.355.1.1概述.355.1.2LACP协议报文结构.365.1.3常量规定.405.1.4定时器规定.415.2LACP协议状态机设计.415.2.1LACP状态机概述.415.2.2接收状态机.435.2.3周期发送状态机.465.2.4选择逻辑.475.2.5Mux状态机.505.2.6发送状态机.545.2.7错误（Churn）探测状态机.555.3关键算法设计与实现.575.3.15.3.25.3.35.3.45.3.5用于选中端口的选择算法.57分发函数使用的端口选择算法.58聚合口MAC地址生成算法.60防止帧乱序和重发的方法.61链路事件处理.625.4端口聚合模块与其它协议和模块的交互.635.4.1端口聚合功能与VLAN的交互.635.4.2端口聚合功能与FRRP协议的交互.645.4.3端口聚合功能与STP/RSTP/MSTP协议的交互.655.5端口聚合功能的移植.655.5.1软件实现.655.5.2端口聚合功能在级联交换机上的实现.665.6本章小结.66-ii-第六章系统部署与测试.676.1工作平台和设备环境.676.2系统测试和部署环境.676.3系统测试方法和工具.686.3.16.3.26.3.36.3.4代码评审过程.68软件BUG级别定义.69系统测试过程.70缺陷跟踪工具Bugzilla.726.4评审和测试结果及分析.736.4.1代码评审结果及分析.736.4.2系统测试结果及分析.736.5本章小结.74结论.75参考文献.78附录.80致谢.88-iii-图目录图1端口聚合功能结构图.10图2端口聚合模块总体解决方案.12图3链路聚合子层在架构中的位置.19图4端口聚合子层框图.20图5帧收集器示意图.23图6帧分发器示意图.24图7聚合解析器示意图.25图8控制解析器示意图.27图9交换机WEB管理页面.29图10图11图12图13图14图15图16图17图18图19图20图21图22图23端口聚合配置页面.29端口选择弹出复选框.30端口聚合状态页面.30LACP报文结构（上）.39LACP报文结构（下）.40各状态机间的相互关系.43接收状态机的状态转换图.44周期发送状态机的状态转换图.46聚合器选择示意图.50Mux状态机的状态转换图（独立控制）.51Mux状态机的状态转换图（关联控制）.53本端错误探测状态机的状态转换图.56对端错误探测状态机的状态转换图.56端口聚合拓扑实例.60-iv-表目录表1端口聚合模块数据库表tb_aggr_info.18表2代码评审检查单（节选）.68表3BUG级别定义.69表4端口聚合系统测试用例（节选）.71表5代码评审结果.73表6系统测试结果.73-v-缩略语ConplatCSMA/CDFRRPIEEEISOLACPLACPDUMSTPRSTPSTPVLAN主要符号表含义迪普公司软件平台名称带有冲突检测的载波侦听多路存取FastRingRecoveryProtoco