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云数据中心网络虚拟化——大二层技术巡礼之初识大二层

木马童年 2018-8-10 20:57 26 0

刚接触网络的一段时间里,作者经常把数据中心和云等同在一起来看待,以为数据中心就是成群的虚拟机和各种神秘的转发设备,支撑着“按需服务”的商业模型。后来才慢慢意识到,这是两个交织在一起但完全不同的概念。数 ...

刚接触网络的一段时间里,作者经常把数据中心和云等同在一起来看待,以为数据中心就是成群的虚拟机和各种神秘的转发设备,支撑着“按需服务”的商业模型。后来才慢慢意识到,这是两个交织在一起但完全不同的概念。数据中心是把服务器放在一起统一进行管理的技术,属于社会分工的产物。大型的公司通常自建私有的数据中心,而没有足够财力的小公司就只能租用公共数据中心的IT资源。云是数据中心一种高度进化的形态,开启了“按需租用”的商业模式,可以说是IT集约化运营的趋势催生了云计算。云计算数据中心成为了近十年来IT界的弄潮儿,对原有的计算、存储和网络技术产生了深刻的变革。云计算数据中心中,有关计算和存储的技术作者并不熟悉,不过可以说这两方面已经做得相当成熟了,云网络则成了云的短板,在相当程度上制约着云的扩散。

众所周知,互联网在最初设计的时候,主要是为了能够让分散的用户访问集中的服务器,即所谓的CS模型。在这种模型下,“路由交换”架构一统江湖,其中以“IP+以太网”为霸主——小范围内通过交换机进行本地高速交换,大范围间通过路由器进行IP智能寻址。在云出现以前,“IP+以太网”技术在数通领域基本上已经做到了极致,在长达30年的时间中通杀一切,不说做到了垄断也是八九不离十了。

但是在云计算的IT模型中,以下几点技术问题对于传统的“IP+以太网”提出了严峻的挑战:

  • 公有云与混合云的发展使得“多租户”成为了云网络中的基本场景,这要求网络能够做到深度的隔离。
  • “位置”的概念变得无关紧要,虚拟机的分布甚至需要突破物理“位置”的局限,这对于IP这种对链路进行寻址的技术提出了极大的挑战。
  • 随着虚拟机间,服务器间,虚拟机与服务器间的东西向流量的量级直线上升,传统的二层自学习已经不能满足二层内部的通信需要。
  • 现有的环路技术收敛慢,链路利用率低下,同时二层的组网规模受到极大的限制。
  • 分布式计算和存储技术,提出了对网络无丢包与高带宽交换的需求。

这些技术上的挑战引发了网络界对于“路由—交换”架构的重新思考。传统网络中,客户机与远端服务器间的南北向流量占据了网络总流量的80%,通常这些主机的接入位置也比较固定。一般地,路由器的一个端口下面不会有太多的二层,每个二层中也不会有太多的主机。可以说在传统的数通网络中,路由器是网络的主宰,交换机一直扮演着小弟的角色。但是在云计算数据中心网络中,这种情况却发生了根本性的变化,“大二层”就成为了这几年网络界一个热门的词汇,交换技术迎来了一大波商机。

说到大二层,这个思路的起源是这样的:集约化运营作为云的一个核心思想,使得虚拟机迁移成为了云中刚性的需求。由于一些License与MAC地址是绑定的,迁移前后虚机的MAC地址最好不变,同时为了保证业务连续,迁移前后虚机的IP地址也不可以变化。而迁移的位置是由能耗决定的,网络必须支持虚机漂到任何位置。所以二层要“大”,必须大到横贯整个DC网络,甚至是在多个DC之间。

其次,大二层的内涵还在于“更智能”。随着云中业务种类的变迁——虚拟机迁移,大规模分布式计算和业务冗余备份等,二层内部的东西向流量逐渐占到了数据中心流量的70%。自学习属于“傻瓜式”的转发方法,不具备多路径负载均衡的能力,而xSTP还阻塞掉了相当部分的链路,资源利用率很低,因此传统的二层很难针对云中的新业务流量进行调优。

另外,大二层还要“更能装”。随着公有云的兴起和IaaS模式的普及,“多租户”环境成为了云网络必备的基础能力。而传统二层网络中,VLAN最多支持的租户数量为4K,已经跟不上业务的飞速发展。因此,大二层需要跳出VLAN的思维,支撑起更多用户的需求。

为了解决上述问题,向大二层的目标迈进,最近十年面向云数据中心的网络虚拟化技术风起云涌。接下来几篇文章,我们将对这些技术逐一进行深入的介绍。

作者简介:

张晨,北京邮电大学未来网络理论与应用实验室研究生

主要研究方向:SDN、虚拟化、数据中心

个人博客:http://sdnv.xyz

个人邮箱:zhangchen9211@126.com

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