中国IDC圈12月24日报道,虚拟化技术在数据中心是个时髦词儿,有横向虚拟化、纵向虚拟化、一虚多虚拟化、NVO3虚拟化等等。今天重点跟大家聊聊横向虚拟化,以华为CloudEngine 12800系列为例,让朋友们了解一下此技术的由来和发展史,深入浅出地介绍下各种横向虚拟化技术的特点、以及各种场景下的选择策略。

横向虚拟化集群由来

在数据中心网络发展初期,没有专门的数据中心交换机,那咋办?先拿园区交换机顶着,使用最传统的VRRP+STP,凑合着用吧,就是下面这张经典的园区网络。

数据中心交换机横向虚拟化集群漫谈

这个网络模型,透着浓浓的经典、可靠的园区味道。可时间久了,问题就来了:

● 流量越来越大,STP阻断导致链路利用率低;

● 非最短路径转发,树根存在带宽瓶颈,转发时延大;

● VRRP单活网关,备节点设备闲置;

● STP网络规模受限,收敛性能较差;

● 管理节点多,逻辑拓扑复杂,维护麻烦。

这些问题带来横向虚拟化的诉求,框式交换机集群率先登场。

堆叠

典型的框式交换机堆叠,有CISCO的VSS(Virtual Switch System)、华为的CSS(Cluster Switch System)、H3C的IRF(Intelligent Resilient Framework)。VSS、CSS、IRF在本质上都是堆叠,只是穿了不同的马甲而已,当然各厂家也发展出一些差异,这是后话。

堆叠技术,本质上就是合并,管理平面、控制平面、转发平面的全面合并。堆叠系统的主控板,管理两台物理设备的所有线卡和网板,变成一个逻辑的大交换机。

数据中心交换机横向虚拟化集群漫谈

但需要注意,堆叠目的不仅仅是为了变大,从网络角度看一下逻辑拓扑,一下变得"高富帅"!

数据中心交换机横向虚拟化集群漫谈

"高富帅"的主要表现:

● 几乎两倍交换能力的超级节点;

● 二三层转发流量完全负载分担,充分利用所有链路;

● 逻辑单节点,业务支持全面,网络方案设计简单;

● 通过部署跨框link-agg,支持物理节点的故障保护;

● 网元二合一,有利于网络管理和维护。

还有零零碎碎的好处也不少:

● 最短路径转发,时延低;

● 相对传统STP,可以组建更大的二层网络;

● link-agg的收敛性能,网络故障收敛块。

在堆叠系统中,堆叠链路的带宽相对于业务端口,带宽总是不够的。这就要求转发的业务流量尽量避免经过堆叠链路,这就是所谓的流量本地优先转发。

数据中心交换机横向虚拟化集群漫谈

如上图所示,华为数据中心交换机堆叠系统,对三层ECMP、链路捆绑支持本地优先。本地优先转发节省了堆叠链路带宽,同时也达到减少转发时延的目的。

除了上述通用的堆叠技术,华为CloudEngine 12800系列数据中心高端交换机,还针对堆叠的可靠性,做了重大的体质性的优化。

堆叠的优化

可靠性优化(转控分离的堆叠)

转控分离的堆叠,也称为带外堆叠,这个优化主要目的是高可靠性。

业界大部分框式交换机的堆叠,堆叠成员间的控制通道和转发通道都使用一个通道。华为的CloudEngine 12800系列数据中心交换机独创性的开发了转控分离的堆叠系统。这里的"转"指的是业务数据转发通道;"控"指的是控制消息(也称为"信令")通道。

传统的框式堆叠系统,业务数据通道和控制消息通道都使用相同的物理通道,即堆叠链路。如下图所示:

数据中心交换机横向虚拟化集群漫谈

这种堆叠系统,控制消息和数据混合在一起运行,如果堆叠通道的数据通信量大,则可能导致控制消息受到冲击而丢失,进而影响控制面的可靠性。严格来说,这种设计没有满足"数据、控制、管理平面分离"的设计要求。此外,堆叠系统的建立,依赖线卡的启动,导致软件复杂度的提高,以及影响堆叠的启动速度。

转控分离的堆叠系统,采用如下所示架构:

数据中心交换机横向虚拟化集群漫谈数据中心交换机横向虚拟化集群漫谈

该硬件堆叠架构带来一系列可靠性的提升:

● 控制消息通道和业务数据通道物理隔离,保证业务数据不影响控制消息;

● 三重的双主故障防护,包括堆叠管理链路(4路)、堆叠转发链路(至少2路)、业务端口/管理端口DAD;

● 堆叠系统建立,不再依赖线卡的启动,无软件时序依赖,简化软件实现,而简单意味着可靠;

● 堆叠系统建立,不再等待线卡/网板的启动,缩短堆叠系统建立时间;

● 控制消息通道路径短,故障点少,时延低。

堆叠改良的局限性

堆叠系统带来了前述系列的好处,但慢慢的,令人不爽的问题也逐渐暴露出来,这是由堆叠原理本质决定的。

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如上图所示,两台交换机通过管理平面、控制平面、数据平面的紧耦合,形成逻辑上的一台交换机。这导致了如下三个风险或者问题。

● 整系统级可靠性风险

对于普通的故障,堆叠系统可通过链路切换、主备板切换、 框切换等完成故障保护。但是由于整个系统的两台物理switch在软件(管理平面、控制平面)是紧耦合的,这就增大软件故障从一台switch扩散到另一台Switch的可能性。一旦出现这种类型的故障,将导致整个堆叠系统的故障,影响堆叠系统接入的所有业务。

● 版本升级的业务中断时间长

由于堆叠本身承担了业务保护功能,因此当堆叠系统升级时,不能像VRRP的成员节点升级时由另外一个节点进行流量保护,中断时间比较长。

对此,各厂商开发出了两框RoundRobin和ISSU的升级方式,这些升级方式缩短了升级时的业务中断时间,但并不解决下面所说的升级风险,甚至因为技术复杂度、软件工程复杂度的提升,放大了升级风险。

  ● 整系统升级风险

设备软件版本升级,即使采用最传统、简单的升级方式,也是一个带风险的网络操作。设备升级失败将导致该设备所带业务失效,这种情况下,要采用包括回退在内的一切手段尽快恢复业务。

堆叠系统由于成员交换机间的紧耦合,只能是两台设备一起升级,升级失败将导致堆叠系统下所有业务网络中断。而堆叠系统,在接入层往往承担服务器双归保护接入的角色、或者在汇聚承担高可靠性网关的角色,这意味着升级失败很可能导致整个业务的瘫痪。

Link-agg虚拟化(M-LAG)

横向虚拟化,从需求角度是为了满足接入层、汇聚层的二层跨设备冗余、汇聚层L3网关的跨设备冗余。那是否还有其他技术,支持横向虚拟化,又没有堆叠的哪些问题?

答案当然是有,华为CloudEngine系列数据中心交换机的M-LAG(Multichassis Link Aggregation Group)就支持这样的虚拟化技术。该技术只在两台设备的link-agg层面实现二层虚拟化,两台成员设备的管理和控制平面是独立的。

注:维基百科称此技术为MC-LAG(Multi-Chassis Link Aggregation Group),CISCO称之为vPC(Virtual Port-Channel)。下文都采用维基百科的术语,即简写为MC-LAG。

数据中心交换机横向虚拟化集群漫谈

MC-LAG,支持的跨设备链路捆绑组网,支持Dual-Active的L3GW。在接入侧,从对端设备视角、服务器视角看,MC-LAG与堆叠类似。

但是,从三层网络角度看,MC-LAG的两个成员节点拥有自己独立的IP地址,两个节点有自己独立的管理和控制平面。从架构角度看,MC-LAG的两个成员设备仅存在数据面的耦合,以及协议面的轻量级耦合:

数据中心交换机横向虚拟化集群漫谈

MC-LAG的架构,决定了此技术方案不存在堆叠难解决的三个问题:

数据中心交换机横向虚拟化集群漫谈

那么,说了MC-LAG的这么多好处,是不是就没有缺点了?当然不是,寸有所长,尺有所短。最后一节比较堆叠与MC-LAG的优缺点,以及场景选择建议。

堆叠和MC-LAG的对比和选择建议

数据中心交换机横向虚拟化集群漫谈

根据上面的对比表格,堆叠和MC-LAG各有优缺点。总的来说,对于网络设计/维护人员,堆叠胜在管理维护简单,MC-LAG胜在可靠性和低升级风险。

在数据中心网络方案设计时,需要权衡考虑,有如下策略可以选择:

● 策略一:汇聚层优先考虑可靠性、升级方便性,选择M-LAG;接入层因为设备量大,优先考虑业务部署和维护方便性,选择堆叠。

数据中心交换机横向虚拟化集群漫谈

● 策略二:优先考虑可靠性、升级低风险,汇聚和接入都使用M-LAG。

数据中心交换机横向虚拟化集群漫谈

● 策略三:优先考虑业务部署和维护方便性,汇聚和接入都使用堆叠。

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