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摘 要：本文从云计算网络与传统网络区别入手,对云计算环境下虚拟机识别区分,大二层架构和数据中心互联等问题进行了分析,根据云环境下网络的需求分析了云计算网络主要几种新技术.

关 键 词：云计算；数据中心；虚拟化；网络技术

中图分类号：TN915.0；TP3

由于云计算创新的计算行为也产生了新的数据流量模型和机房建设模式,传统数据中心多层次化的网络架构和“尽力而为”以太网链路无法满足大规模云计算的需求,随之网络技术作为数据中心机房设备的基础平台也发生了变革.

1云数据中心的网络需求

1.1虚拟机之间网络通信管理

当前的虚拟化服务器自身支持的软件或硬件VEB（VirtualEtherBridges）只能支持简单的二层网络转发,缺乏QOS和二层安全策略,流量镜像功能薄弱,如要将针对物理端口的策略平移到VEB上面,必定会消耗了服务器CPU降低其性能.对网络管理而言,多个虚拟机收发数据全部挤在一个出口上,单个操作系统和网络端口不再是一一对应关系,原来针对单个端口的策略无法部署,增加了管理复杂程度.在某些极端情况下,如果一台虚拟机染毒,它有可能会波及整个网络,而维护管理人员,不能区分是哪一个虚拟机的问题,不得不关闭整个物理服务器网卡,使得其他并没有感染病毒的虚拟机也受影响.

因此在虚拟化环境下,接入层的概念不再仅仅针对物理端口,而是应该延伸到服务器内部,将虚拟机同网络端口重新关联起来.

1.2网络规模扩张与二层网络的困境

虚拟化的最大特点是可以将业务动态部署到数据中心的任何计算资源上,云数据中心虚拟化的服务器不能被过多地三层网络隔离,因为有许多类似HA以及虚拟机迁移等应用都需要提供二层网络通道才能实现,每一个VM对应一个MAC,二层拓扑将大大扩张.

传统的数据中心网络大都遵循经典的层次化理念建设的,所有二层链路上都运行STP协议,当任意两点间有一条以上路径可大时,STP会阻断多余路径,保证两点间只有一条路径可达,从而防止环路产生.这种模式部署非常简单,接入层设备不需要复杂的配置,大部分策略在汇聚层部署就能分发全网.但随着数据中心的规模扩张,这种模式已显得力不从心.首先接入设备只有一条上联链路可以通信,特别是万兆链路投资将会被极大地浪费,无法支持业务的快速扩展.且在复杂的网络连接中,控制STP的行为变得越来越困难,一旦出现震荡,收敛效率非常低下.STP是以交换机而不是服务器作为root在整个交换网络计算生成树和选路的,对于节点而言也并不代表是最优路径.另外,二层交换机通过学习接收到的数据帧的源地址建立MAC地址表,所有接收到地址都会被放进MAC地址表中,导致一台交换机可能学习存储到整个网段内的所有设备的MAC地址,而虚拟机的MAC地址数量可能达到数量将比物理机的MAC增加很多倍,在大型的云计算数据中心将会很容易导致边缘设备的MAC地址耗尽.

由此可见,传统的二层网络过于简单,只有一个数据平面,没有控制平面.交换机只学习MAC,而无法规划最优转发路径,从而引起规模较大二层网络出现一系列问题.

1.3跨数据中心间的二层互联

随着云计算的兴起,数据中心的规模越来越大,数量越来越多,数据中心之间的交互机制也变得越来越复杂,早期的网络架构中,当多个位于不同地理位置的机房之间互联时,采用了运营商提供的广域网链路跨越多个三层网关,数据中心内部通过NAT将不同互联的数据中心私有地址转换为公网地址,两个数据中心的地址空间无法直接通信的.如果主备中心通过一条三层链路互联,那么对于某些要求运行在同一VLAN内的系统而言,就需要启用NAT欺骗上层软件,但这会增加网络部署的复杂度.

因此,在云环境下,数据中心之间的互联链路除了要达到以往的带宽、时延等指标外,还提出了延伸二层网络的需求,使两个数据中心内同一网段的网络能够直接通信,这种需求称之为DCI（DataCenterInterconnect）.

2云数据中心主要网络技术简介

2.1VM互访技术

802.1Qbh是由思科和VMWARE共同提出的一项标准,其核心思想是在标准的以太网帧中增加一段专用的标记――VN-Tag,用以区分不同的VIF（虚拟网络接口）.VN-Tag添加在MAC和源MAC地址之后,在这个标签中定义了一种新的地址类型,用以标识虚拟机的VIF,VN-Tag中最重要的内容是一对新地址dvif_id和svif_id,这个地址空间对应的不是交换机的端口或者IP网段,而是VIF.当多个虚拟机共用一条物理上联链路时,基于VN-Tag的源地址dvif_id就能区分出产生于不同虚拟机的流量,形成对应的虚拟通道.一旦接入交换机将VIF绑定后,虚拟机的所有流量将被直接送往接入交换机端口,VEB不再处理路由寻址工作,变成一个单纯的网络桥接通道.

与思科VN-Tag针锋相对的是以HP为主推出的VEPA即802.1Qbg,VEPA的目标也是要将虚拟机之间的交换行为从服务器内部转移到上联交换机.VEPA没有定义自己的帧头,为区分流量其采用了802.1ad-VLAN堆叠q-in-q技术.通过给虚拟机流量打上S-Tag和不同的VLANID来区分不同的虚拟机流量.同时为了能使流量经过网络设备,VEPA重写了生成树STP协议,在接入交换机的下联端口上强制进行反射数据帧.同意服务器不同虚拟机交换数据时,从虚拟机出来的数据帧首先会经过服务器网卡上联交换机,上联交换机查看帧头MAC又将这个帧送回原服务器,整个数据流量好像发卡一样在交换机上绕一圈,称为“发卡弯”.相对VN-Tag只需将现有接入交换机和服务器网卡升级软件后即可,初期投入成本低是一大优势.

2.2带控制层面大二层数据中心内部互访技术既然二层网络的问题是控制平面的缺失,那就在以太网帧前再封装一层标识用于寻址转发,保留原有二层网络配置简单的风格又能支持三层网络动态选路和等价路由等优点.

IETF于2010年提交了TRILL（TransparentInterconncetofLotsofLinks）RFC5556规范.TRILL定义了一种名为RBridges的网络节点,RBridges互联形成的网络就是TRILL网络,边缘与普通交换机互联.控制平面上TRILL引入了L2ISIS作为寻址协议,运行在所有௚