虛擬化數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的研究

李莉，劉路，劉佳

（中國(guó)航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100120）

1 虛擬化數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)面臨的問(wèn)題分析

1.1 網(wǎng)絡(luò)性能瓶頸問(wèn)題

虛擬化數(shù)據(jù)中心，有限上聯(lián)網(wǎng)絡(luò)寬帶是共享的，會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)流量加大，這樣會(huì)影響數(shù)據(jù)的傳輸速度，并使交換機(jī)接口成為瓶頸。

1.2 網(wǎng)絡(luò)可靠性問(wèn)題

在服務(wù)器或其關(guān)聯(lián)的交換機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，此服務(wù)器上運(yùn)行的所有虛擬機(jī)將不再提供外部服務(wù)，這會(huì)帶來(lái)很大的影響，所以數(shù)據(jù)中心網(wǎng)路的健壯性要強(qiáng)，這樣單純的交換機(jī)或是路由器等出現(xiàn)問(wèn)題，不會(huì)對(duì)其他的運(yùn)行產(chǎn)生影響。總之，數(shù)據(jù)中心提供的服務(wù)能力一定要確保其可靠性和持久性。另外，對(duì)于故障還要有相應(yīng)的恢復(fù)機(jī)制，從而有利于保證其有序工作。

1.3 網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性問(wèn)題

虛擬化數(shù)據(jù)中心的不斷運(yùn)行發(fā)展，會(huì)有越來(lái)越多的用戶，同時(shí)，也會(huì)有越多越多的業(yè)務(wù)，所以，為滿足這一發(fā)展需要，虛擬化數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)應(yīng)不斷提高其便捷性和靈活性。

1.4 虛擬機(jī)流量的監(jiān)管和網(wǎng)絡(luò)控制策略的部署問(wèn)題

盡管物理服務(wù)器可以在虛擬化數(shù)據(jù)中心中運(yùn)行多個(gè)虛擬機(jī)，但是，它們的上行鏈路很常見(jiàn)。所以，如果一臺(tái)虛擬機(jī)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，它會(huì)不會(huì)影響它的共享服務(wù)器？目前亟待解決的問(wèn)題是如何避免其他虛擬機(jī)受到影響，如何監(jiān)控虛擬機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)流量，如何實(shí)施網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)控制措施，是目前亟待解決的問(wèn)題。

1.5 虛擬機(jī)遷移后出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)配置問(wèn)題

在物理服務(wù)器上運(yùn)行虛擬機(jī)時(shí)，若虛擬機(jī)從一臺(tái)服務(wù)器傳輸?shù)搅硪慌_(tái)，有必要使網(wǎng)絡(luò)感到虛擬機(jī)的轉(zhuǎn)移，同時(shí)，能夠?qū)εc之相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)鏈接配置進(jìn)行快速改動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)策略隨之進(jìn)行轉(zhuǎn)移，這樣才能確保業(yè)務(wù)不中斷，這是當(dāng)前虛擬化網(wǎng)絡(luò)面臨的問(wèn)題，急需處理。

2 虛擬化數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題的應(yīng)對(duì)措施

2.1 解決網(wǎng)絡(luò)性能瓶頸、魯棒性和擴(kuò)展性問(wèn)題

首先，不能將傳統(tǒng)樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到虛擬數(shù)據(jù)中心。當(dāng)前，ATC系統(tǒng)普遍采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是樹(shù)型結(jié)構(gòu)，包含核心層、串聯(lián)層、接入層。核心層最上面的部分是高性能路由器或者交換機(jī)。聚合層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過(guò)核心路由器與上層網(wǎng)絡(luò)連接，接入層交換機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與匯聚層連接，服務(wù)端連接到訪問(wèn)開(kāi)關(guān)。圖1表顯示了具體的結(jié)構(gòu)。

圖1 樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

這類(lèi)樹(shù)有它自己的優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)具有廣泛的應(yīng)用范圍，但是，它有其局限性，華東的虛擬化數(shù)據(jù)中心不適用，以下是主要理由：首先，隨著虛擬化數(shù)據(jù)中心的發(fā)展，用戶將不斷增加，但它的結(jié)構(gòu)也存在一些問(wèn)題，如果受到核心層設(shè)備性能和端口數(shù)量的限制，難以開(kāi)發(fā)、升級(jí)；二是網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)性差。如果一臺(tái)路由器或交換機(jī)運(yùn)行不正常，那么，底層和所連接的路由器、交換機(jī)或服務(wù)器之間就不存在信息傳輸通道，使整個(gè)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)變成三維孤立的網(wǎng)絡(luò)；同樣，如果在系統(tǒng)的性能達(dá)到瓶頸的時(shí)候，核心點(diǎn)上的大負(fù)荷會(huì)聚集到核心交換節(jié)點(diǎn)，因此，會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能；同時(shí)，在虛擬數(shù)據(jù)中心內(nèi)，在一個(gè)物理服務(wù)器上同時(shí)運(yùn)行多個(gè)虛擬機(jī)。接入層交換機(jī)使用同一寬帶端口，但是，信息擁塞，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。空管局虛擬化數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，采用網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，可解決下列問(wèn)題：

第一，網(wǎng)絡(luò)具有自身的優(yōu)勢(shì)，具備備份能力，應(yīng)對(duì)突出情況，可準(zhǔn)備多份副本。如果虛擬交換機(jī)團(tuán)隊(duì)成員遇到問(wèn)題，其他團(tuán)隊(duì)成員能夠快速積極地響應(yīng)并接管業(yè)務(wù)，這使他們能夠自己解決問(wèn)題而不影響自己的工作；第二，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的接口和交換能力易于擴(kuò)展，只有擴(kuò)展棧組中的成員才能實(shí)現(xiàn)；第三，利用此技術(shù)，無(wú)須使用生成樹(shù)協(xié)議，沒(méi)有生成樹(shù)協(xié)議的設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)實(shí)體，它從根本上解決了循環(huán)收斂問(wèn)題；四是交換機(jī)之間采用鏈路捆綁技術(shù)的連接，不但方便增加寬帶容量，解決網(wǎng)絡(luò)性能瓶頸，假如一條鏈接出了問(wèn)題，迅速地轉(zhuǎn)換成其他鏈接，以提高網(wǎng)絡(luò)連接的可靠性。

它也叫胖樹(shù)結(jié)構(gòu)，以樹(shù)型結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行改良。從這個(gè)結(jié)構(gòu)來(lái)看，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)溥€包括三個(gè)層次：底部(接入層）、中間層(匯聚層)和上層(核心層)。在這些交換機(jī)中，通過(guò)上行鏈路，50%的端口連接到上匯聚層的交換機(jī)，剩下的50%端口連接到服務(wù)器設(shè)備。類(lèi)似地，聚合層和核心層之間的連接與接入層和聚合層的連接相同。在這種結(jié)構(gòu)中，聚合層和接入層之間的連線將增大，聚集層和核心層之間的連接路徑也增加了。此外，該結(jié)構(gòu)可減少單點(diǎn)故障，系統(tǒng)不會(huì)因路徑中斷而無(wú)法使用，因此，增加了數(shù)據(jù)中心的可靠性，增加了網(wǎng)絡(luò)連接。同時(shí)，核心層和聚合層存在更多的“粗”鏈路，有助于聚集流的緩解，并能夠及時(shí)處理核心鏈路上的負(fù)載。

Fat-tree結(jié)構(gòu)采用兩張路由表進(jìn)行兩級(jí)路由，每臺(tái)交換機(jī)具有固定的編碼規(guī)則，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 Fat-tree 結(jié)構(gòu)

利用Fat-tree結(jié)構(gòu)可以解決以下問(wèn)題：

第一，在網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)層面，服務(wù)器生成的流量滿足最大的核心層吞吐量，不存在網(wǎng)絡(luò)瓶頸。顯然，采用這種結(jié)構(gòu)，避免了樹(shù)狀結(jié)構(gòu)中上層鏈路抑制網(wǎng)絡(luò)吞吐量的情況；第二，支持ECMP等多路徑路由技術(shù)，使內(nèi)部節(jié)點(diǎn)之間有多條平行的鏈路，第三，具有良好的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性，不存在單一故障。胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò)有48端口交換機(jī)，可滿足成千上萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器的需求；第四，IP地址在結(jié)構(gòu)中有相應(yīng)的規(guī)則，精確定位，有利于簡(jiǎn)化管理配置。

2.2 對(duì)虛擬機(jī)流量管制和網(wǎng)控策略部署問(wèn)題的反應(yīng)

虛擬機(jī)器的出現(xiàn)是網(wǎng)絡(luò)面臨的一大挑戰(zhàn)。對(duì)于同一組物理設(shè)備，不同的虛擬機(jī)需要高度的網(wǎng)絡(luò)隔離能力，需要改善。只有這樣，才能在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上保證有多個(gè)虛擬機(jī)。如果網(wǎng)絡(luò)中的虛擬機(jī)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴問(wèn)題，需要確保使用相同物理設(shè)備的其他虛擬機(jī)受到暴風(fēng)雨的保護(hù)，同時(shí)，它還可以監(jiān)測(cè)各個(gè)虛擬機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)通信。實(shí)踐證明，VEPA技術(shù)可以有效解決上述問(wèn)題。VEPA協(xié)議的核心思想是外部物理交換機(jī)為所有虛擬機(jī)生成對(duì)應(yīng)的虛擬實(shí)例。當(dāng)虛擬機(jī)產(chǎn)生了通信后，

這種技術(shù)將所有的網(wǎng)絡(luò)通信交給物理交換機(jī)來(lái)處理。盡管同一個(gè)服務(wù)器上有兩個(gè)虛擬機(jī)，還可以從源虛擬機(jī)開(kāi)始向外部物理交換機(jī)發(fā)送兩個(gè)服務(wù)器間的通信交互，該交換將基于轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)果將通信發(fā)送到服務(wù)器上的目標(biāo)虛擬機(jī)。使用這項(xiàng)技術(shù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)管理，可以實(shí)現(xiàn)物理交換機(jī)的流量統(tǒng)計(jì)，以及與服務(wù)器的訪問(wèn)控制策略等。

2.3 虛擬機(jī)遷移后網(wǎng)絡(luò)配置問(wèn)題的對(duì)策

因?yàn)樘摂M化已經(jīng)部署，將單個(gè)物理服務(wù)器轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€(gè)虛擬機(jī)，而且他們是動(dòng)態(tài)的，當(dāng)數(shù)據(jù)中心環(huán)境和應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)生變化時(shí)，要將一臺(tái)虛擬機(jī)從一個(gè)服務(wù)器轉(zhuǎn)移到另一個(gè)服務(wù)器，將對(duì)虛擬機(jī)繼續(xù)業(yè)務(wù)訪問(wèn)，它要求交換機(jī)能夠感知虛擬機(jī)的變化，在交換機(jī)端口同時(shí)實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)策略的自動(dòng)改變，虛擬機(jī)訪問(wèn)策略傳輸最終完成。數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的靈活性由于人工和手工的幫助而大大降低，人力成本也上升了。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，VDP技術(shù)能夠解決虛擬機(jī)接入定位精度和網(wǎng)絡(luò)策略配置的問(wèn)題。使用VDP的發(fā)現(xiàn)和通知，學(xué)習(xí)虛擬機(jī)信息以及連接到鄰近物理交換機(jī)的相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)連接配置信息，請(qǐng)求會(huì)自動(dòng)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，請(qǐng)求相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)連接概要，在交換機(jī)上部署相關(guān)的訪問(wèn)策略。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同的是，虛擬化數(shù)據(jù)中心對(duì)網(wǎng)絡(luò)的傳輸提出了更高的要求，同時(shí)，它也面臨著相應(yīng)的問(wèn)題。因此，需要針對(duì)這些問(wèn)題采取相應(yīng)的措施，希望能為空管數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的建設(shè)提供一些有價(jià)值的參考。