虛擬化,網(wǎng)絡(luò)面向應(yīng)用的第一步
一個面向應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)首要的前提就是對資源進(jìn)行一體化管理，屏蔽使用者對資源位置的感知，快速交付適應(yīng)于該應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。因此，虛擬化也是H3C所提出的VAN(Virtual Application Network,虛擬應(yīng)用網(wǎng)絡(luò))架構(gòu)的三大核心之一。
虛擬化的本質(zhì)是提高用戶對資源的使用效率和管理能力。為了給用戶提供端到端的資源虛擬化服務(wù)，虛擬化的網(wǎng)絡(luò)又分為虛擬化服務(wù)、虛擬化通道、虛擬化設(shè)備。服務(wù)器作為虛擬服務(wù)的承載，通過虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)服務(wù)的位置無關(guān)性;連接通道作為服務(wù)流量的承載，虛擬化技術(shù)配合實(shí)現(xiàn)了虛擬服務(wù)的遷移、虛擬服務(wù)的備份和負(fù)載分擔(dān);網(wǎng)絡(luò)設(shè)備作為虛擬通道的承載，虛擬化技術(shù)提供了虛擬通道的靈活配置和虛擬通道間的負(fù)載分擔(dān)，將服務(wù)流量的接入、匯聚、核心靈活的根據(jù)用戶需要進(jìn)行整合，帶來了虛擬通道部署時的穩(wěn)定性和靈活性。虛擬化通道技術(shù)在之前期刊中已有詳細(xì)描述(*注：《IP領(lǐng)航》2012第6期總第25期大二層專題)，虛擬化服務(wù)屬于服務(wù)器側(cè)的范疇，本文重點(diǎn)描述網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的虛擬化技術(shù)。
網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的虛擬化技術(shù)從最初的多臺物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬成一臺邏輯網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，即N:1的虛擬化，到一臺物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬化成多臺邏輯網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，即1:N的虛擬化技術(shù)，又發(fā)展了將這兩種虛擬化技術(shù)進(jìn)行整合的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備形態(tài)，即N:1:M虛擬化技術(shù);以及在N:1橫向虛擬化的基礎(chǔ)上發(fā)展了縱向虛擬化技術(shù)。這四項(xiàng)技術(shù)不僅給數(shù)據(jù)中心帶來了完整的虛擬化方案，也讓數(shù)據(jù)中心在網(wǎng)絡(luò)資源的管理和利用上更加靈活。
一、 N:1虛擬化
通過N:1虛擬化，將多臺網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬化成一臺邏輯設(shè)備(*注：在本節(jié)中，所有邏輯設(shè)備都表示N:1的邏輯設(shè)備概念)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的協(xié)同工作轉(zhuǎn)化為設(shè)備內(nèi)的處理，從而提高網(wǎng)絡(luò)管理和運(yùn)行效率，讓網(wǎng)絡(luò)回歸簡單。
另一方面，N:1虛擬化使邏輯設(shè)備具備了強(qiáng)大的擴(kuò)展能力。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)需要擴(kuò)容時，N:1虛擬化技術(shù)可以在不改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞那疤嵯拢颥F(xiàn)有的邏輯設(shè)備中動態(tài)增加物理設(shè)備，使整個邏輯設(shè)備擁有更多的設(shè)備端口數(shù)、更大的帶寬和處理能力(如圖1所示)。
圖1 N:1虛擬化示意圖
圖2是常見的網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，使用MSTP、VRRP等協(xié)議來支持鏈路冗余、網(wǎng)關(guān)備份。這種組網(wǎng)在各種場合均會使用，這里僅以匯聚層與接入層之間的組網(wǎng)為例。
使用N:1虛擬化技術(shù)后，匯聚層的多個設(shè)備成為了一個單一的邏輯設(shè)備，接入設(shè)備直接連接到虛擬邏輯設(shè)備。簡化后的組網(wǎng)不再需要使用MSTP、VRRP協(xié)議，簡化了網(wǎng)絡(luò)配置。同時依靠跨設(shè)備的鏈路聚合，在成員出現(xiàn)故障時不再依賴MSTP、VRRP等協(xié)議的收斂，提高了可靠性。
圖2 使用N:1簡化組網(wǎng)示意圖
在具體技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，H3C的相關(guān)技術(shù)是IRF(智能彈性架構(gòu))，Cisco采用的是StackWise及VSS技術(shù)，Juniper采用的是Virtual Chassis技術(shù)。主要技術(shù)實(shí)現(xiàn)包括如下幾個方面：
跨物理設(shè)備的聚合
N:1虛擬化中采用的新型聚合技術(shù)讓用戶可以將不同物理設(shè)備上的物理以太網(wǎng)端口配置成一個聚合端口，這樣即使某些端口所在的設(shè)備出現(xiàn)故障，其他正常工作的成員設(shè)備會繼續(xù)管理和維護(hù)剩下的聚合端口。如圖3所示，流向網(wǎng)絡(luò)核心的流量將均勻分布在聚合鏈路上，當(dāng)某一條聚合鏈路失效時，分布式鏈路聚合技術(shù)能夠?qū)⒘髁孔詣又匦路植嫉狡溆嗑酆湘溌芬詫?shí)現(xiàn)鏈路的彈性備份和提高網(wǎng)絡(luò)可靠性。
圖3 跨設(shè)備聚合技術(shù)
物理設(shè)備間的協(xié)議狀態(tài)互為備份
各物理設(shè)備加入邏輯設(shè)備后，協(xié)議動態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)在物理設(shè)備間進(jìn)行同步，Master出現(xiàn)故障時，其他物理設(shè)備有協(xié)議的狀態(tài)信息，能快速恢復(fù)并保持鄰居設(shè)備的協(xié)議連接。
以路由協(xié)議為例，如圖4所示，網(wǎng)絡(luò)使用的是OSPF路由協(xié)議。當(dāng)Master收到鄰居路由器發(fā)送過來的Update報(bào)文時，更新本地的路由表同時它會將更新的路由表項(xiàng)以及協(xié)議狀態(tài)信息發(fā)給其他所有物理設(shè)備，其他物理設(shè)備收到后會更新本地的路由表及協(xié)議狀態(tài)，以保證邏輯設(shè)備內(nèi)的各個物理設(shè)備上路由相關(guān)信息的嚴(yán)格同步。
當(dāng)Master故障時，新選舉的Master可以接手舊Master的工作，新的Master接收到鄰居路由器過來的OSPF報(bào)文后，會將更新的路由表項(xiàng)以及協(xié)議狀態(tài)信息發(fā)給其它所有物理設(shè)備，并不會影響中OSPF協(xié)議的運(yùn)行。此時，域內(nèi)路由協(xié)議不會隨之出現(xiàn)中斷，二三層轉(zhuǎn)發(fā)流量和業(yè)務(wù)也不會出現(xiàn)中斷，從而實(shí)現(xiàn)了不中斷業(yè)務(wù)的故障保護(hù)和設(shè)備切換功能。
圖4 設(shè)備協(xié)議狀態(tài)備份機(jī)制
環(huán)形拓?fù)溥B接使網(wǎng)絡(luò)更可靠
如圖5所示，四個接入網(wǎng)絡(luò)通過跨設(shè)備聚合方式連接到邏輯設(shè)備上，邏輯設(shè)備采用環(huán)形拓?fù)浞绞竭M(jìn)行連接。環(huán)形拓?fù)溥B接可以做到任何一臺設(shè)備的故障、設(shè)備端口故障、連接線故障，不影響到其他物理設(shè)備間的流量轉(zhuǎn)發(fā)，提高了網(wǎng)絡(luò)高可靠性。
圖5 環(huán)形拓?fù)鋷砀叩娜哂嗫煽啃?/p>
二、 1:N虛擬化
1:N虛擬化技術(shù)將一臺物理設(shè)備虛擬化成多臺邏輯設(shè)備(注：在本節(jié)中所有邏輯設(shè)備都表示1:N的邏輯設(shè)備概念)，劃分出來的邏輯設(shè)備具有單獨(dú)的轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)和芯片資源，可以單獨(dú)組網(wǎng)，單獨(dú)配置等網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)所需功能。
一臺物理設(shè)備虛擬成多個邏輯設(shè)備分別承擔(dān)不同的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，保持原有網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立性的同時，降低了硬件資源消耗，提高了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的利用率。各邏輯設(shè)備之間嚴(yán)格隔離，可以將安全級別不同的業(yè)務(wù)劃分到兩個邏輯設(shè)備中，通過虛擬化隔離，單獨(dú)進(jìn)行管理和配置，不同業(yè)務(wù)之間不會相互影響。
圖6 N:1虛擬化示意圖
在具體技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，H3C的相關(guān)技術(shù)是MDC(Multitenant Device Context，多租戶設(shè)備環(huán)境)，Cisco采用的是VDC技術(shù)。各技術(shù)實(shí)現(xiàn)的功能上是一致的，以下以MDC技術(shù)為例來闡述1:N虛擬化的技術(shù)特點(diǎn)。
1. 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的虛擬化
網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)作為管理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的基礎(chǔ)，對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的硬件資源和軟件資源進(jìn)行了分層管理。
1:N虛擬化技術(shù)首先需對網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)進(jìn)行虛擬化，目的是能做到每個邏輯設(shè)備都有支撐自身系統(tǒng)運(yùn)行的硬件和軟件資源，包括獨(dú)立的接口、CPU等，獨(dú)立維護(hù)的路由和轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)。
以MDC技術(shù)為例，采用基于操作系統(tǒng)級別的虛擬化技術(shù)，在操作系統(tǒng)內(nèi)核模擬出一個個運(yùn)行應(yīng)用程序的容器，操作系統(tǒng)級別的進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、磁盤管理基于每個MDC進(jìn)行了虛擬化管理。對比目前服務(wù)器虛擬化時通常采用的Full-virtualization虛擬化技術(shù)(在Host操作系統(tǒng)和底層硬件之間建立一層抽象系統(tǒng)，各Guest操作系統(tǒng)無需修改代碼，通過CPU支持虛擬化將Guest操作系統(tǒng)的高權(quán)限指令Trap到抽象系統(tǒng)中的代碼中代理執(zhí)行)和Para-virtualization虛擬化技術(shù)(修改Guest操作系統(tǒng)以適配Host系統(tǒng))，操作系統(tǒng)級的虛擬化由于不存在Guest系統(tǒng)到Host系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，調(diào)度性能上最好，耗費(fèi)資源最少。
圖7 MDC 1:N虛擬化示意圖
2. 分布式物理設(shè)備的邏輯設(shè)備劃分
在核心層和匯聚層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，一般采用分布式設(shè)備來提高設(shè)備的流量處理能力和性能規(guī)格。典型的分布式設(shè)備模型包括多塊主控板和多塊接口板，支持虛擬化后，每塊單板都可以支持多個邏輯設(shè)備的啟動，可將端口資源在多個邏輯設(shè)備之間進(jìn)行劃分。
劃分后的邏輯設(shè)備也同樣為分布式設(shè)備形態(tài)，能操作分布式資源，并且相關(guān)的數(shù)據(jù)也和獨(dú)立的分布式設(shè)備一樣，進(jìn)行同步和備份。如圖8所示，數(shù)據(jù)只在邏輯設(shè)備所屬的單板間進(jìn)行同步，可以將I/O單板只劃分給某個邏輯設(shè)備。由于該單板上的資源只為一個邏輯設(shè)備所有，這樣I/O單板能達(dá)到作為單獨(dú)物理設(shè)備時的規(guī)格。
圖8 邏輯設(shè)備的表項(xiàng)數(shù)據(jù)同步
3. 獨(dú)立的配置管理平面
從管理設(shè)備業(yè)務(wù)功能的角度來看，每一個邏輯設(shè)備就是一臺獨(dú)立的設(shè)備。用戶可通過屬于邏輯設(shè)備的虛擬網(wǎng)管口直接登入邏輯設(shè)備內(nèi)，進(jìn)行管理和配置。邏輯設(shè)備所產(chǎn)生的系統(tǒng)告警信息可以單獨(dú)輸出到部屬的告警服務(wù)器上。每個邏輯設(shè)備有單獨(dú)的配置文件，支持獨(dú)立的重啟和恢復(fù)配置(如圖9所示)。
圖9 用戶對邏輯設(shè)備的配置管理
4. 故障隔離
由于采用操作系統(tǒng)級的虛擬化技術(shù)后，所有邏輯設(shè)備都有獨(dú)立的進(jìn)程和獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，通過合理的資源劃分，甚至有獨(dú)立的轉(zhuǎn)發(fā)芯片資源和獨(dú)立的CPU資源?；诖?，一個邏輯設(shè)備的故障可以控制在本邏輯設(shè)備內(nèi)，不會影響其它的邏輯設(shè)備;
如圖10中MDC1邏輯設(shè)備內(nèi)的某個服務(wù)的故障，可能導(dǎo)致該邏輯設(shè)備內(nèi)的該服務(wù)不可工作。但其他邏輯設(shè)備還能繼續(xù)運(yùn)行提供服務(wù)。
圖10 邏輯設(shè)備內(nèi)的故障隔離
三、 N:1:M虛擬化
N:1的虛擬化和1:N的虛擬化從技術(shù)角度采用了相反的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，但可以將兩者的技術(shù)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)將多臺物理設(shè)備通過N:1虛擬化技術(shù)虛擬成一臺邏輯設(shè)備，再將此邏輯設(shè)備通過1:N技術(shù)虛擬成多臺邏輯設(shè)備，這種組合簡稱為N:1:M虛擬化(如圖11所示)。
圖11 N:1:M虛擬化示意圖
以IRF+MDC組網(wǎng)為例，這種N:1:M的虛擬化的明顯特點(diǎn)就是：整合層次，降低運(yùn)營成本。
利用IRF+MDC技術(shù)，可以對數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)進(jìn)行多層次的整合。整合方式可以分為三種方式(如圖12所示)：
水平整合：將匯聚層的4臺設(shè)備整合成兩臺物理設(shè)備。將兩臺物理設(shè)備互為主備為接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行服務(wù)。
垂直整合：將核心層和匯聚層的設(shè)備整合，物理設(shè)備上分成兩個MDC，分別為核心層和匯聚層服務(wù)。
混合整合：將兩臺物理設(shè)備組成IRF邏輯設(shè)備上劃分三個MDC，兩個MDC管理接入網(wǎng)絡(luò)，做到接入的業(yè)務(wù)隔離，一個MDC連接核心層，滿足清晰的分層策略需求。
圖12 數(shù)據(jù)中心N:1:M虛擬化的整合方式
四、 縱向虛擬化
上述的N:1虛擬化是一種對稱方式整合的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備資源的技術(shù)，其中的N是有相同能力的對等設(shè)備，互為備份。隨著數(shù)據(jù)中心內(nèi)服務(wù)器規(guī)模的迅速增長，縱向虛擬化技術(shù)(Vertical Converged Framework，縱向融合框架，以下簡稱VCF)應(yīng)運(yùn)而生。縱向虛擬化技術(shù)能將非對稱的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行資源整合，既提高了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的端口密度，又方便了整體設(shè)備的管理。
VCF在縱向維度上支持對系統(tǒng)進(jìn)行異構(gòu)擴(kuò)展，即在形成一臺邏輯虛擬設(shè)備的基礎(chǔ)上，可把一臺盒式設(shè)備作為一塊遠(yuǎn)程接口板加入主設(shè)備系統(tǒng)，以達(dá)到擴(kuò)展I/O端口能力和進(jìn)行集中控制管理的目的。
在VCF技術(shù)體系中，設(shè)備按角色分為CB(Controlling Bridge)和PE(Port Extender)兩種。CB表示控制設(shè)備，PE表示縱向擴(kuò)展設(shè)備，稱遠(yuǎn)程接口板。
CB可以是N:1虛擬化后的邏輯設(shè)備組成，和縱向的PE設(shè)備采用跨設(shè)備聚合方式來進(jìn)行連接。
PE設(shè)備相當(dāng)于CB設(shè)備的端口擴(kuò)展板，提高CB的端口密度?？刂茖用嫔系木W(wǎng)絡(luò)配置、協(xié)議計(jì)算等由CB設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理;PE設(shè)備的版本和配置文件可通過CB設(shè)備進(jìn)行下載。
PE間的流量經(jīng)過CB進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，可通過對縱向連接端口進(jìn)行聚合的方式擴(kuò)大帶寬(如圖13所示)。
圖13 VCF典型拓?fù)?/p>
如圖14所示，利用VCF技術(shù)，可以將接入層和匯聚層進(jìn)行整合，簡化管理，滿足網(wǎng)絡(luò)部屬中的高端口密度需求。
注：更多的VCF技術(shù)信息見本期【講堂】欄目的文章：VCF縱向虛擬化架構(gòu)
圖14 VCF對匯聚和接入層的整合
五、 虛擬化技術(shù)的整合應(yīng)用
N:1網(wǎng)絡(luò)虛擬化減少了網(wǎng)絡(luò)上邏輯設(shè)備的數(shù)量，提高了設(shè)備管理效率，簡化網(wǎng)絡(luò)層次，并且提高設(shè)備擴(kuò)展能力，保護(hù)用戶投資。1:N的虛擬化節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)中的物理設(shè)備數(shù)量，用戶在網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)部屬中已經(jīng)看不到具體的物理設(shè)備，而是一個個提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的邏輯設(shè)備，將這兩種技術(shù)混合的N:1:M虛擬化使得網(wǎng)絡(luò)更有利于層次的整合、易于擴(kuò)展。
在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬化技術(shù)也深入到各個層面(如圖15所示)，在接入層設(shè)備采用縱向虛擬化技術(shù)來擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的接入設(shè)備端口密度，在PE設(shè)備上采用EVB協(xié)議和虛擬服務(wù)器間通過虛擬通道進(jìn)行連接;在匯聚層設(shè)備采用N:1的虛擬化技術(shù)對下行鏈路提供了可靠冗余的連接，對上行的核心設(shè)備提供的簡單的協(xié)議控制，在匯聚層連接Internet的邊緣設(shè)備上，可以采用TRILL、PBB/SPB、EVI、VPLS等技術(shù)將該站點(diǎn)在數(shù)據(jù)中心大二層網(wǎng)絡(luò)中互聯(lián);在核心層可以采用N:1:M的技術(shù)，在進(jìn)行業(yè)務(wù)冗余備份的同時，將不同用戶的云劃分到不同的MDC中，即保證了業(yè)務(wù)的安全性，又可將邏輯設(shè)備托管由用戶自行進(jìn)行各站點(diǎn)間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的管理。
圖15 數(shù)據(jù)中心內(nèi)的虛擬化技術(shù)應(yīng)用
六、 結(jié)束語
隨著面向應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步深化，出現(xiàn)了軟件定義網(wǎng)絡(luò)模型(Software Defined Network,SDN)，SDN的出現(xiàn)將讓用戶能基于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商API接口更好的利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備資源，這些API接口可以基于設(shè)備本身提供，也能基于服務(wù)器上運(yùn)行的Network OS提供。當(dāng)用戶能更好的根據(jù)自己的應(yīng)用來定義網(wǎng)絡(luò)設(shè)備時，將更需要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)完全徹底的虛擬化：將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過N:1虛擬化后作為整體資源，通過1:N虛擬化技術(shù)根據(jù)應(yīng)用創(chuàng)建新的邏輯設(shè)備和資源部屬;同時用戶可以根據(jù)該應(yīng)用的流量、應(yīng)用的安全等特點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)動——利用設(shè)備提供的自動化功能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源的動態(tài)部屬，實(shí)現(xiàn)一個更加可靠、更加靈活、更易于擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)。
