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VCF纵向虚拟化技术架构.docx

发布时间：2022-06-06 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.41M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    VCF 纵向虚拟化技术架构 VM 及其迁移驱动着数据中心大规模二层网络的发展，随着网络规模的扩大， 网络设备数量随之增大，网络管理成为数据中心基础设施管理中的一个棘手问题。 同时，现代大数据中心对网络提供给服务器的端口密度也提出了更高的要求，例 如万台服务器的规模已是互联网数据中心现实中的普遍需求。端口扩展技术作为 提高接入设备端口密度的一种有效手段逐渐成熟并获得了业界的认可。VCF 纵向 虚拟化技术（Vertical Converged Framework，纵向融合框架，以下简称 VCF） 即是该技术的一种实现方式，满足数据中心虚拟化高密接入并可以简化管理。 Cisco 公司相类似的技术是 FEX。 VCF 在纵向维度上支持对系统进行异构扩展，即在形成一台逻辑虚拟设备的 基础上，把一台盒式设备作为一块远程接口板加入主设备系统，以达到扩展 I/O 端口能力和进行集中控制管理的目的。为叙述方便，后文会把纵向 VCF 的建立和 管理过程等与 IRF 传统的横向相关功能进行对比。 IRF（横向）堆叠拓扑主要有链型和环形两种。设备按角色可分为 Master 和 Slave。Slave 在一定条件下可转变为 Master，两者业务处理能力是同一水平 的，只不过 Slave 处于“非不能也，实不为也”的状态。 对于 VCF（即纵向）来说，设备按角色分为 CB（Controlling Bridge）和 PE（Port Extender）两种。CB 表示控制设备，PE 表示纵向扩展设备，即端口扩 展器（或称远程接口板）。通常来说，PE 设备的能力不足以充当 CB，管理拓扑上 难以越级，处于“非不为也，实不能也”的状态。 如图 1 所示，左边是框式设备或者是盒式设备各自形成 IRF 堆叠横向虚拟化 系统，有环形堆叠和链型堆叠（虚线存在的情况）两种拓扑形式；右边是框式设 备与盒式设备形成 VCF 纵向虚拟化系统（简称 VCF Fabric），为便于对比 CB 由 IRF 堆叠组成。 图 1. IRF 横向虚拟化和 VCF 纵向虚拟化对比 一般来说，对于 IRF（横向）堆叠，控制平面由 Master 管理，转发能力和端口 密度随着 Slave 增加而增加。对于 VCF（纵向） Fabric，控制平面由 CB（或 IRF 中的 Master）管理，端口密度随着 PE 增加而增加，但总体上转发能力仍取决于 CB 设备。 VCF 可与 IRF 技术组合使用， 所形成的系统具有单一管理点、跨设备聚合以及 即插即用等优点，同时加强了纵向端口扩展能力。 1 VCF 技术机制 对 VCF 来说，CB 角色可以由处理能力较强的盒式设备和框式设备承担，也可以 是基于 IRF 技术建立的横向堆叠。PE 一般来说是低成本的盒式设备。实际应用
    中，CB 角色多为横向堆叠，这样有益于 PE 上行冗余。以下技术说明以此为主。 1. 拓扑管理 图 2 中 CB 角色是一个典型的 IRF 堆叠。PE 角色为盒式设备。CB 与 PE 互联口称 为纵向 Fabric 口，纵向 Fabric 口是一个逻辑概念，可以是一个物理端口或者 多个物理端口组成的聚合口。CB 与 PE 之间可以使用专用线缆或光纤连接。 图 2. VCF 典型拓扑 PE 根据组网需要可以连到一台或多台 CB 设备上，PE 与 PE 之间不能再有其他连 线。从模型上说，PE 相当于 CB 的一块远程接口板。从功能上看，CB 与 PE 间的 纵向 Fabric 连接相当于框式设备的“背板”。从管理上看，所有 CB 和 PE 设备 组成一个堆叠，对外是一台设备，一个管理点。 整个拓扑建立包括两个方面：一方面是多台 CB 设备依据 IRF 相关规则和拓扑计 算建立横向堆叠；另一方面是 CB 通过纵向 Fabric 口向外发送 HELLO 报文，根 据 PE 反馈信息建立纵向 Fabric。 如图 3 所示，纵向 Fabric 建立过程主要分为四步：     第一步，完成扩展板编号（Slot-ID）的分配和获取。CB 上 VCF Fabric 口使能后会周期性地发送探测报文，一旦 Slot-ID 分配完成则停止。 第二步，完成软件的加载。包括 PE 发送加载请求，CB 提供版本文件描述 信息，以及确认加载和加载完成等几个子过程。这其中，Bootware（类似于 个人电脑上的 BIOS）和 App（即主机软件）的加载实现过程类似。 第三步，PE 以下载后的版本重启并完成在 CB 的注册。 最后，CB 向 PE 下发配置信息。
    图 3. PE 加入以及 VCF 建立过程 2. VCF Fabric 连接方式 如前所述，PE 到 CB 间纵向 Fabric 连接类似于框式设备的“背板”，为了增加 带宽并使上下行流量保持合适的收敛比，两者间链路通常由多个物理线路组成， 逻辑上可采用 HASH 方式来实现。这样一条链路 Down，不会引起挂服务器的下行 端口 Down，但带宽变小，相关流量也会重新进行 HASH 计算并分配到剩余链路上 （如图 4 所示）。
    图 4. VCF Fabric 连接方式 3. PE 管理 横向配置、Master 选举以及整个堆叠建立和维护与 IRF 没有纵向功能前完全一 样。纵向 VCF 加上 PE 后，建立过程相对复杂一些，但本质上所有 CB 和 PE 形成 一个单一的逻辑实体，可以通过任何一台 CB 上的用户管理接口，如 Console 口、 Telnet 或者网管口来进行配置和管理。 IRF（横向）系统使用成员编号（Member-ID）来标识和管理成员设备，在一个 IRF 中所有设备的成员编号是唯一的。成员编号被引入到端口编号中，便于用户 配置和识别成员设备上的接口。类似地，在 VCF（纵向）中，系统使用扩展板编 号（Slot -ID）来标识和管理纵向扩展设备，在整个 系统中扩展板编号也是唯 一的且同样被引入到端口编号中。如果 CB 是框式设备，这个编号也绝对不能与 框式设备上已有接口板（LPU）的编号重复。在使用上两者机制稍有区别，成员 编号（Member-ID）需要设备重启才能生效；而扩展板编号（Slot -ID）在 CB 上配置后可立即生效。 PE 加入。当 VCF 系统有新的成员设备加入时，会根据系统所处状态或者 PE 设 备的状态采取不同的处理过程。假设横向 IRF 已配置，且在 CB 上已为 PE 分配了 Slot -ID。（1）此时 PE 以缺省出厂配置可即插即用。正常运行的纵向 VCF 系统， 当因某些外在因素引起断电或重启，系统不需要干预的情况下将自动恢复。（2） 运行过程中，PE 可以通过纵向 Fabric 口随时接入系统，CB 会自动计算拓扑以 防止新的 PE 接入时产生环路。从虚拟化的角度来看，这个过程相当于框式设备 的接口板插入。当然，由于此时的“背板”链接是动态端口，需要进行拓扑计算 以阻断环路；而实际的框式设备在初始化时已经完成了这一动作。 PE 离开。PE 离开相对来说简单一些，当 CB 与 PE 链接电缆拔出或者对应端口 Down 掉，系统即产生远程接口板离开事件。这一过程与框式设备的接口板拔出 基本一致。 4. 盒式设备作为 CB 盒式设备充当 CB 并下挂 PE 时，横向 CB 通过 IRF 互联形成的虚拟设备相当于一 台框式分布式设备主控板；纵向 PE 通过 VCF 互联形成虚拟框式设备的分布式设 备接口板（或称线卡）。横向 IRF 互联电缆模拟了交换背板中主控板互联，IRF 中的 Master 相当于虚拟设备的主用主控板，Slave 设备相当于备用主控板。同 样地，纵向 VCF 的 CB 与 PE 间互联电缆模拟交换背板中接口板到背板的链接，PE 设备相当于虚拟设备的 I/O 接口板。如图 5 所示，右边为虚拟化设备的逻辑视图。
    图 5. 盒式设备作为 CB 时形成的 VCF 虚拟化设备 5. 框式设备作为 CB 框式设备充当 CB 并下挂 PE 时，对于横向，框式设备通过 IRF 互联形成的虚拟设 备也相当于一台框式分布式设备，此时该虚拟框式设备拥有更多的主控板和接口 板；对于纵向，PE 通过 VCF 互联形成虚拟框式设备的分布式设备接口板。横向 IRF 中的 Master 的主用主控板相当于虚拟设备的主用主控板，Master 的备用主 控板以及 Slave 的主用、备用主控板均相当于虚拟设备的备用主控板（同时可担 任接口板的角色）；Master 和 Slave 中的接口板继续担当接口板的角色，其中接 口板的部分或者全部端口与 PE 相连。同样地，对于纵向，盒式 PE 通过 VCF 与 CB 相连（一般来说是框式 CB 的接口板），PE 设备相当于虚拟设备的 I/O 接口板 （如图 6 所示，右边为虚拟化设备的逻辑视图）。
    图 6. 框式设备作为 CB 时形成的 VCF 虚拟化设备 2 VCF 系统管理 上文已提到整个 Fabric 系统可作为一个逻辑实体，通过一个 IP 进行管理。但 是系统层面如何进行软件版本管理，如何进行配置和如何通过即插即用来建立 VCF 系统的呢？ 软件版本管理。IRF 在建立横向堆叠的时候会比较版本，最终所有成员都会统 一于 Master 的版本。对 VCF 来说， PE 在加入堆叠时，从 CB 下载版本；当 CB 是 IRF 堆叠时，无论 PE 是否直接与 Master 相连，都会从 Master 获取版本。因 此，从结果看，整个堆叠系统版本都会与 Master 统一。横向堆叠 Slave 获取的 版本与 Master 自身运行的版本是同步的；纵向 Fabric 各 PE 获取的是适合 PE 运行的部分。一般来说，CB 和 PE 各自由不同的 CPU 和交换芯片等构成，因此实 际上在 CB（或 Master）上有两个不同功能用途的软件包，系统启动或运行过程 中会自适应各取所需。 配置管理。整个 Fabric 系统作为一个逻辑实体进行管理时，可通过 IRF 成员 如 Master 或 Slave 的 Console 等进行配置；一般来说，PE 不提供 Console 等配 置口。对于 VCF，当在 CB 上指定与物理端口（或逻辑上的聚合端口）相应的 Slot-ID 后，且 PE 已正常加入系统，此时便可通过 CB 对 PE 进行配置，例如 PE 上端口所 属 VLAN，QoS 规则等。系统保存配置后，PE 对应配置信息保存在 CB 上。当系统 重启或者更换 PE 时，PE 对应配置信息也从 CB 上下发，即 PE 配置可以“继承”。
    PE 即插即用。PE 相当于 VCF 虚拟化框式设备的一块接口板，实际框式设备通过 热插拔来实现即插即用，为了实现类似功能和简化管理，PE 通过纵向 Fabric 口以及纵向 Fabric 连接 Up/Down 事件感知支持即插即用。PE“插入”虚拟框的 过程同图 3 纵向 Fabric 建立过程，此处不再赘述。 3 VCF 上层控制协议 VCF 侧重对 CB 设备进行 I/O 端口扩展，除了和端口密切相关的功能外，其他上 层协议基本上都在 CB 上实现。这样做的好处显而易见，PE 仅作为接口板插入虚 拟框式设备，提高了端口密度而减少了管理网元，且系统控制管理平面上移，有 利于对大二层多服务器环境下的集中控制和网络策略管理。其次，对 PE 的性能 规格要求不高，有利于成本控制。 CB 在横向 IRF 组成的 Master 和多个 Salve 是 1:N 备份模型，作为纵向诸多 PE 的管理控制单元起着冗余备份作用。纵向 Fabric PE 作为接口板加入，协议控 制平面继承了横向堆叠的实现和优点。例如对三层报文 TTL 跳数仍只加 1；支持 跨 PE 聚合等。 4 VCF 转发平面实现 一般来说，VCF 中 CB 设备相对 PE 性能更好，承担 VCF 的业务数据转发决策；而 PE 主要承担 CB 端口扩展器角色。在 VCF CB 设备中，不管业务流量来自 PE 设备， 还是来自 CB 设备自身的非纵向 Fabric 口，都根据业务报文的目的进行查表转 发。 VCF 单播转发 VCF 上行方向（即从 PE 到 CB），来自 PE 的 UNI 口的流量，在扩展设备上不做查 表转发处理，而是将原始的业务报文直接重定向到 CB 设备。CB 设备收到业务报 文后，从其中提取扩展端口等信息，并基于该信息完成地址学习及业务控制。 下行方向。如果业务报文需要单播到 PE 的某 UNI 端口，CB 设备在完成业务报文 转发决策和必要的报文修改后，通过纵向 Fabric 互联口发送到 PE 设备。PE 收 到业务报文后，从其中直接提取出端口等完成业务报文的发送。 VCF 组播转发 上行方向，即从 PE 向 CB 的报文流程同前文单播一致。下行方向，对于需要组播 （广播处理过程同组播）的业务报文，CB 设备会为每个 PE 设备拷贝一份业务报 文，通过纵向 Fabric 互联口发送到 PE 设备。PE 收到这类业务报文后，如果是 广播报文，则在对应的 VLAN 内广播业务报文；如果是组播报文，则按照组播索 引查找对应的 UNI 端口列表复制并发送业务报文。 VCF 多互联链路选路机制
    一般来说，CB 设备和 PE 之间会配置多个互联链路，而且 IRF 横向堆叠作为 CB 设备时，多个互联链路可以分布在不同的 IRF 成员设备上。 PE 到 CB 设备的上行方向，单播和组播实现方式一致。采用 HASH 方式使得流量 在互联链路上分布更为均匀。 CB 设备到 PE 设备的下行选路，对于单播，采用最短路径原则，即如果 CB 设备 是 IRF，且到某 PE 的互联链路分布在多个 IRF 成员上，则 IRF 选择到 PE 的最短 路径。如果单个 IRF 成员与某 PE 有多条互联链路，则在该 IRF 成员上进行聚合 HASH 选路。这一原则的出发点在于，尽可能减少对 IRF 本身堆叠链路的带宽占 用。对于组播，只选择一个互联链路发送一份组播拷贝，当同一 PE 下有多个用 户时，实际复制工作在 PE 进行。 当然，为了提升系统的转发性能和减小延迟，某些 PE 也可提供本地流量转发功 能。 5 VCF 架构的特点 VCF 部署中的多级冗余和高可靠性 VCF 支持多种 CB 和 PE 设备。就 CB 来说，包括框式和盒式两种类型，都支持服 务器跨 PE 冗余接入。特别是框式 CB，由于 CB 通过 IRF 横向堆叠组网，天然支 持跨框和跨板聚合，从而为网络冗余设计提供丰富的选择。同时，VCF 方案不仅 支持虚拟接入层的冗余，而且也支持核心（汇聚）层的冗余，能更全面提升系统 级的可靠性。 VCF 技术的高可扩展性 VCF 中 CB 可通过 IRF 横向堆叠建立，即可由多台设备组成。例如 H3C 框式高端 设备最多可构建 4 台设备组成的 IRF 堆叠，这些设备充当 CB 角色时也是如此。 盒式设备则可构建更大规模的 IRF 和 VCF 系统。 VCF 中 CB 角色通过不同组合可提供更大的灵活性和更好的扩展性。这一优势能 更好地支持企业或云服务运营商根据自身业务发展规模进行 IT 设施的平滑扩容。 L2/L3 流量线速转发 VCF 中承担 CB 角色的所有设备，包括框式设备和盒式设备均支持二层、三层流 量的线速转发。既不需要增加额外的板卡，而且 L2/L3 流量完全线速。 PE 设备支持双模式和保护用户投资 H3C 的 PE 设备支持两种运行模式，即标准交换模式和 PE 模式。两者模式可以通 过命令行或者网管进行切换。设备出厂缺省设置为标准交换模式；当和支持 VCF 纵向管理的设备互连且纵向特性开启的情况下，设备可自动感知切换到 PE 模式， 也就是支持即插即用。
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