1 云計(jì)算簡介
云計(jì)算是網(wǎng)格計(jì)算、分布式計(jì)算、并行計(jì)算、效用計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)、虛擬化、負(fù)載均衡等傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展融合的產(chǎn)物。它旨在通過網(wǎng)絡(luò)把多個(gè)成本相對(duì)較低的計(jì)算實(shí)體整合成一個(gè)具有強(qiáng)大計(jì)算能力的完美系統(tǒng)， 并借助SaaS、PaaS、IaaS、MSP 等先進(jìn)的商業(yè)模式把這強(qiáng)大的計(jì)算能力分布到終端用戶手中。云計(jì)算的一個(gè)核心理念就是通過不斷提高“云”的處理能力，進(jìn)而減少用戶終端的處理負(fù)擔(dān)，最終使用戶終端簡化成一個(gè)單純的輸入輸出設(shè)備，并能按需享受“云”的強(qiáng)大計(jì)算處理能力。
云計(jì)算的核心思想，是將大量用網(wǎng)絡(luò)連接的計(jì)算資源統(tǒng)一管理和調(diào)度，構(gòu)成一個(gè)計(jì)算資源池向用戶按需服務(wù)，故如何快速合理的對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行調(diào)度是云計(jì)算須解決的關(guān)鍵問題。
2 快速調(diào)度網(wǎng)絡(luò)資源的關(guān)鍵
云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中，計(jì)算資源能夠按需擴(kuò)展、靈活調(diào)度部署，這由虛擬機(jī)的遷移功能實(shí)現(xiàn)，虛擬化環(huán)境的計(jì)算資源必須在二層網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)透明化遷移。
透明環(huán)境不僅限于數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，對(duì)于多個(gè)數(shù)據(jù)中心共同提供的云計(jì)算服務(wù)，要求云計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)中心內(nèi)部、數(shù)據(jù)中心之間均實(shí)現(xiàn)透明化交換，這種服務(wù)能力可以使客戶分布在云中的資源邏輯上相對(duì)集中，如在相同的一個(gè)或數(shù)個(gè)VLAN 內(nèi)，而不必關(guān)心具體物理位置;對(duì)云服務(wù)供應(yīng)商而言，透明化網(wǎng)絡(luò)可以在更大的范圍內(nèi)優(yōu)化計(jì)算資源的供應(yīng)，提升云計(jì)算服務(wù)的運(yùn)行效率、有效節(jié)省資源和成本。
因此運(yùn)營商云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度的關(guān)鍵就是構(gòu)建大規(guī)模的二層網(wǎng)絡(luò)，包括單數(shù)據(jù)中心和多數(shù)據(jù)中心之間的二層網(wǎng)絡(luò)，覆蓋更多的資源范圍，同時(shí)虛擬主機(jī)所對(duì)應(yīng)的交換機(jī)端口可以靈活的加入到用戶業(yè)務(wù)VLAN 中，實(shí)現(xiàn)二層互訪、業(yè)務(wù)遷移。
3 VPLS 技術(shù)介紹
VPLS(Virtual Private LAN Service，虛擬專用局域網(wǎng)服務(wù))是在公用網(wǎng)絡(luò)中提供的一種點(diǎn)到多點(diǎn)的二層VPN 業(yè)務(wù)。VPLS 使地域上隔離的用戶站點(diǎn)能通過MAN 或WAN 相連， 并且使各個(gè)站點(diǎn)間的連接效果像在一個(gè)LAN 中一樣。
VPLS 提供二層VPN 服務(wù)。在VPLS 中，用戶是由多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)連接起來，不同于傳統(tǒng)VPN 提供的P2P 的連接服務(wù)。VPLS 實(shí)際上就是在PE上創(chuàng)建一系列的虛擬交換機(jī)租借給用戶，虛擬交換機(jī)的組網(wǎng)和傳統(tǒng)交換機(jī)完全相同， 這樣， 用戶就可以通過MAN 或WAN 來實(shí)現(xiàn)自己的LAN。
圖1 VPLS典型組網(wǎng)示意圖
4 大規(guī)模二層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建碰到的問題及解決辦法
4.1 多拓?fù)涠泳W(wǎng)絡(luò)
為了構(gòu)建一張高可靠的二層網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)的二層網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展采用環(huán)形組網(wǎng)配合STP 生成樹協(xié)議來完成，但是隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大和VLAN數(shù)量的增加，實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚蜁?huì)變得過于復(fù)雜。主要問題包括：1)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)多，管理難度大
2)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部流量大，核心鏈路壓力高
3)STP 生成樹、HSRP 冗余保護(hù)協(xié)議收斂速度慢
如何改變現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)狀況，我們可以采用網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，將同一層次的多臺(tái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬成一臺(tái)邏輯設(shè)備， 破除了原先網(wǎng)絡(luò)的環(huán)路，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)量急劇減少，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兂闪饲逦唵蔚臉湫尉W(wǎng)絡(luò)。
典型的網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，例如IRF2，第二代智能彈性架技術(shù)。
IRF2 的核心思想是將多臺(tái)設(shè)備通過IRF 物理端口連接在一起，進(jìn)行必要的配置后，虛擬化成一臺(tái)“虛擬設(shè)備”，通過該“虛擬設(shè)備”來實(shí)現(xiàn)多臺(tái)設(shè)備的協(xié)同工作、統(tǒng)一管理和不間斷維護(hù)。如圖2 所示：
圖2 IRF 技術(shù)實(shí)例
IRF2 技術(shù)大大改善2 層網(wǎng)絡(luò)性能，這主要表現(xiàn)在：
1)簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，減少設(shè)備數(shù)量
IRF2 形成以后，從邏輯上而言是一臺(tái)設(shè)備，有統(tǒng)一的轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)，包括MAC 表、ARP/ND 表、路由表和標(biāo)簽信息等。每個(gè)成員設(shè)備都有完整的轉(zhuǎn)發(fā)能力，當(dāng)它收到待轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文時(shí)，直接查詢本機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)得到報(bào)文的出接口，以及下一跳和封裝信息，然后將報(bào)文從正確的出接口送出去。這個(gè)出接口可以在本機(jī)上也可以在其它成員設(shè)備上。IRF2 通過IRF 端口將報(bào)文從一臺(tái)成員設(shè)備送到其它成員設(shè)備的過程對(duì)外界是完全屏蔽的，例如對(duì)于三層報(bào)文來說，跨設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)上只增加1 跳，即表現(xiàn)為只經(jīng)過了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。
IRF2 組網(wǎng)條件下，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的配置管理發(fā)生了很大變化：原來的多臺(tái)物理設(shè)備現(xiàn)在成為一臺(tái)邏輯設(shè)備，也只有一個(gè)管理IP，其中所有的IRF 成員可以統(tǒng)一配置管理，不需要登錄到不同設(shè)備各自管理運(yùn)維。
2)鏈路聚合，分?jǐn)偤诵逆溌穳毫?/strong>
IRF2 支持的新型分布式聚合技術(shù)可以跨設(shè)備配置鏈路備份，用戶可以將不同成員設(shè)備上的物理以太網(wǎng)端口配置成一個(gè)聚合端口，從而有效分?jǐn)偤诵逆溌妨髁繅毫Α?/p>
IRF2 每個(gè)成員設(shè)備都有完整的二/三層轉(zhuǎn)發(fā)能力， 當(dāng)它收到待轉(zhuǎn)發(fā)的二/三層報(bào)文時(shí)， 可以通過查詢本機(jī)的二/三層轉(zhuǎn)發(fā)表得到報(bào)文的出接口，以及下一跳，然后將報(bào)文從正確的出接口發(fā)送出去。
IRF 端口采用多個(gè)IRF 物理端口聚合形成，既可以實(shí)現(xiàn)流量的負(fù)載分擔(dān)提高帶寬，又能夠進(jìn)行互相備份。
3)STPHSPR 協(xié)議被取代
在虛擬化整合過程中， 被整合設(shè)備的互聯(lián)鏈路成為IRF2 的內(nèi)部線路，對(duì)IRF2 系統(tǒng)外部來說不可見。虛擬化整合后的IRF2 系統(tǒng)，對(duì)外表現(xiàn)為單臺(tái)物理設(shè)備，因此，在保持網(wǎng)絡(luò)基本互聯(lián)條件下，可將一對(duì)IRF2 系統(tǒng)之間的多條線纜進(jìn)行鏈路捆綁聚合動(dòng)作， 從而將不同網(wǎng)絡(luò)層之間的網(wǎng)狀互聯(lián)簡化成單條邏輯鏈路。
使用IRF2 虛擬化后， 消除了原先網(wǎng)絡(luò)需要部署的STP 生成樹或HSRP 冗余保護(hù)協(xié)議，通過鏈路捆綁實(shí)現(xiàn)了鏈路和節(jié)點(diǎn)的保護(hù)倒換。4.2 分布式的虛擬端口組
隨著云計(jì)算規(guī)模的擴(kuò)大， 同一業(yè)務(wù)組的虛擬機(jī)跨越多個(gè)交換機(jī)，形成同一個(gè)虛擬端口組分布在多個(gè)交換機(jī)上。虛擬端口組對(duì)應(yīng)同一業(yè)務(wù)組的所有虛擬機(jī)，虛擬端口組的配置需要保持一致，包括端口基本配置、VLAN、QoS 及安全策略等， 對(duì)虛擬端口組內(nèi)的一個(gè)端口的配置修改，可以自動(dòng)同步到組內(nèi)的所有端口上。
可以通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置管理平臺(tái)， 例如Solarwinds 配置管理模塊，實(shí)現(xiàn)在大二層網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的統(tǒng)一管理，同時(shí)虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移的時(shí)候網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置也能夠保持同步。
4.3 虛擬交換機(jī)vSwitch
為了實(shí)現(xiàn)服務(wù)器內(nèi)虛擬機(jī)之間以及虛擬機(jī)同其他網(wǎng)絡(luò)之間的通信，出現(xiàn)了虛擬交換機(jī)vSwitch，其實(shí)現(xiàn)的基本原理就是在服務(wù)器內(nèi)部虛擬出一臺(tái)交換機(jī)，完成虛擬機(jī)的通訊要求，這也是現(xiàn)階段服務(wù)器虛擬化軟件VMWare、XEN 等采用的方法， 即VEB (Virtual EthernetBridge)。
現(xiàn)階段vSwitch 的實(shí)現(xiàn)方式存在多方面的不足：
1)服務(wù)器內(nèi)部虛擬機(jī)的交換流量直接在服務(wù)器內(nèi)部的vSwitch 上完成，流量不可見，沒有辦法做到流量監(jiān)控;
2)服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理界面不明確，隨之帶來業(yè)務(wù)部門和網(wǎng)絡(luò)部門管理上的不便;
3)沒有明確的安全域界面，不易部署安全策略。
通過VEPA 技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)， 將服務(wù)器內(nèi)部的vSwitch 改成一個(gè)邏輯通道，主要功能就是將虛擬機(jī)的流量轉(zhuǎn)到接入交換機(jī)，由接入交換機(jī)實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)之間的流量轉(zhuǎn)發(fā)，現(xiàn)有的交換機(jī)在轉(zhuǎn)發(fā)流量的時(shí)候都是不允許本端口轉(zhuǎn)發(fā)，也就是從本端口進(jìn)來的流量不會(huì)從本端口再轉(zhuǎn)發(fā)出去，VEPA 就需要對(duì)現(xiàn)有的IEEE 802.1B 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修改，允許交換機(jī)本端口轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)之間的相互通信。
通過VEPA 技術(shù)，明確了服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的界面分工，所有的流量都通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可以通過端口鏡像等技術(shù)輕松實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)流量的監(jiān)控，安全性得到保證，同時(shí)也明確了管理上的分工。
4.4 VLAN 擴(kuò)展
隨著運(yùn)營商IDC 云計(jì)算服務(wù)規(guī)模擴(kuò)展到多中心， 用戶數(shù)量的增加，用于隔離用戶的VLAN 數(shù)量已不能滿足要求，需要對(duì)VLAN 進(jìn)行擴(kuò)展。
云計(jì)算VLAN 擴(kuò)展方案一：QinQ 方案
QinQ 技術(shù)，也稱Stacked VLAN 或Double VLAN。標(biāo)準(zhǔn)出自IEEE802.1ad， 其實(shí)現(xiàn)將用戶私網(wǎng)VLAN Tag 封裝在公網(wǎng)VLAN Tag 中，使報(bào)文帶著兩層VLAN Tag 穿越運(yùn)營商的骨干網(wǎng)絡(luò)(公網(wǎng))。QinQ 技術(shù)通過在以太幀中堆疊兩個(gè)802.1Q 包頭， 有效地?cái)U(kuò)展了VLAN 數(shù)目，使VLAN 的數(shù)目最多可達(dá)4096x4096 個(gè)。
通過用戶VLAN 和運(yùn)營商VLAN 的疊加實(shí)現(xiàn)VLAN 數(shù)量的擴(kuò)展，配置簡單、易維護(hù)，但QinQ 方案接入網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小。
圖3 云計(jì)算VLAN 擴(kuò)展--QinQ 方案
云計(jì)算VLAN 擴(kuò)展方案二：VPLS 方案
VPLS 技術(shù)的核心就是采用三層信令、二層轉(zhuǎn)發(fā)，將VPLS 技術(shù)應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)VLAN 數(shù)量的擴(kuò)展，采用VPLS 技術(shù)后接入網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，可伸縮性強(qiáng)，但是VPLS 方案配置復(fù)雜，維護(hù)難度增大。
圖4 云計(jì)算VLAN 擴(kuò)展--VPLS 方案
4.5 DC 之間資源調(diào)度
運(yùn)營商云計(jì)算服務(wù)的一大特點(diǎn)就是規(guī)模化，虛擬化資源池越大越好，通過規(guī)模化效應(yīng)降低成本，一個(gè)數(shù)據(jù)中心不夠就利用多個(gè)數(shù)據(jù)中心，因此數(shù)據(jù)中心之間的互聯(lián)和資源調(diào)度就成了運(yùn)營商IDC 在提供云計(jì)算服務(wù)時(shí)需要考慮的問題。
結(jié)合VLAN 擴(kuò)展方式的不同，數(shù)據(jù)中心的擴(kuò)展也有對(duì)應(yīng)的兩種方案。
云計(jì)算DC 間擴(kuò)展方案一：VPLS+QinQ 方案
數(shù)據(jù)中心內(nèi)部采用QinQ 方式擴(kuò)展VLAN 數(shù)量， 通過構(gòu)建專用的VPLS 網(wǎng)絡(luò)將城域范圍甚至廣域范圍內(nèi)的多個(gè)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行二層互聯(lián)，將云計(jì)算的資源池?cái)U(kuò)大到多個(gè)數(shù)據(jù)中心。
云計(jì)算DC 間擴(kuò)展方案二：VPLS 方案
數(shù)據(jù)中心內(nèi)部采用VPLS 方式擴(kuò)展VLAN 數(shù)量， 建立VPLS 核心網(wǎng)通道實(shí)現(xiàn)多個(gè)數(shù)據(jù)中心的VPLS 互聯(lián)。
