作者：張成哲? ? 班級：1402019? ? 學號：14020199042
【嵌牛導讀】：在數(shù)據(jù)中心和云計算的網絡方案和技術討論中，大二層已經成為熱點話題，涌現(xiàn)了各種軟件和硬件技術、直接和間接手段等。那么，為什么有這么多大二層技術?到底這二者之間有何聯(lián)系？
【嵌牛鼻子】：數(shù)據(jù)中心? 大二層網絡
【嵌牛提問】：為什么數(shù)據(jù)中心需要大二層網絡凤类？為什么傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心二層網絡“大”不起來？
【嵌牛正文】：
一.為什么需要大二層?
1. 虛擬化對數(shù)據(jù)中心提出的挑戰(zhàn)
?????? 傳統(tǒng)的三層數(shù)據(jù)中心架構結構的設計是為了應付服務客戶端-服務器應用程序的縱貫式大流量普气，同時使網絡管理員能夠對流量流進行管理谜疤。工程師在這些架構中采用生成樹協(xié)議(STP)來優(yōu)化客戶端到服務器的路徑和支持連接冗余。
?????? 虛擬化從根本上改變了數(shù)據(jù)中心網絡架構的需求现诀。最重要的一點就是夷磕，虛擬化引入了虛擬機動態(tài)遷移技術。從而要求網絡支持大范圍的二層域赶盔。從根本上改變了傳統(tǒng)三層網絡統(tǒng)治數(shù)據(jù)中心網絡的局面企锌。
2. 虛擬機遷移與數(shù)據(jù)中心二層網絡的變化
?????? 在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心服務器區(qū)網絡設計中，通常將二層網絡的范圍限制在網絡接入層以下于未，避免出現(xiàn)大范圍的二層廣播域撕攒。
?????? 由于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心服務器利用率太低，平均只有10%～15%烘浦，浪費了大量的電力能源和機房資源抖坪。虛擬化技術能夠有效地提高服務器的利用率，降低能源消耗闷叉，降低客戶的運維成本擦俐，所以虛擬化技術得到了極大的發(fā)展。但是握侧，虛擬化給數(shù)據(jù)中心帶來的不僅是服務器利用率的提高蚯瞧，還有網絡架構的變化。具體的來說品擎，虛擬化技術的一項伴生技術—虛擬機動態(tài)遷移(如VMware的VMotion)在數(shù)據(jù)中心得到了廣泛的應用埋合。簡單來說，虛擬機遷移技術可以使數(shù)據(jù)中心的計算資源得到靈活的調配萄传，進一步提高虛擬機資源的利用率甚颂。但是虛擬機遷移要求虛擬機遷移前后的IP和MAC地址不變，這就需要虛擬機遷移前后的網絡處于同一個二層域內部。由于客戶要求虛擬機遷移的范圍越來越大振诬，甚至是跨越不同地域蹭睡、不同機房之間的遷移，所以使得數(shù)據(jù)中心二層網絡的范圍越來越大赶么，甚至出現(xiàn)了專業(yè)的大二層網絡這一新領域專題肩豁。
3. 傳統(tǒng)網絡的二層為什么大不起來?
?????? 在數(shù)據(jù)中心網絡中，“區(qū)域”對應VLAN的劃分禽绪。相同VLAN內的終端屬于同一廣播域蓖救，具有一致的VLAN-ID，二層連通;不同VLAN內的終端需要通過網關互相訪問印屁，二層隔離，三層連通斩例。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心設計雄人，區(qū)域和VLAN的劃分粒度是比較細的，這主要取決于“需求”和“網絡規(guī)哪罡希”础钠。
?????? 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心主要是依據(jù)功能進行區(qū)域劃分，例如WEB叉谜、APP旗吁、DB，辦公區(qū)停局、業(yè)務區(qū)很钓、內聯(lián)區(qū)、外聯(lián)區(qū)等等董栽。不同區(qū)域之間通過網關和安全設備互訪码倦，保證不同區(qū)域的可靠性、安全性锭碳。同時袁稽，不同區(qū)域由于具有不同的功能，因此需要相互訪問數(shù)據(jù)時擒抛，只要終端之間能夠通信即可推汽，并不一定要求通信雙方處于同一VLAN或二層網絡。
?????? 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心網絡技術歧沪，STP是二層網絡中非常重要的一種協(xié)議歹撒。用戶構建網絡時，為了保證可靠性槽畔，通常會采用冗余設備和冗余鏈路栈妆，這樣就不可避免的形成環(huán)路。而二層網絡處于同一個廣播域下，廣播報文在環(huán)路中會反復持續(xù)傳送鳞尔，形成廣播風暴嬉橙，瞬間即可導致端口阻塞和設備癱瘓。因此寥假，為了防止廣播風暴市框，就必須防止形成環(huán)路。這樣糕韧，既要防止形成環(huán)路枫振，又要保證可靠性，就只能將冗余設備和冗余鏈路變成備份設備和備份鏈路萤彩。即冗余的設備端口和鏈路在正常情況下被阻塞掉粪滤，不參與數(shù)據(jù)報文的轉發(fā)。只有當前轉發(fā)的設備雀扶、端口杖小、鏈路出現(xiàn)故障，導致網絡不通的時候愚墓，冗余的設備端口和鏈路才會被打開予权，使得網絡能夠恢復正常。實現(xiàn)這些自動控制功能的就是STP(SpanningTree Protocol浪册，生成樹協(xié)議)扫腺。
?????? 由于STP的收斂性能等原因，一般情況下STP的網絡規(guī)模不會超過100臺交換機村象。同時由于STP需要阻塞掉冗余設備和鏈路笆环，也降低了網絡資源的帶寬利用率。因此在實際網絡規(guī)劃時煞肾，從轉發(fā)性能咧织、利用率、可靠性等方面考慮籍救，會盡可能控制STP網絡范圍习绢。
4. 大二層也是為了流通的要求
?????? 隨著數(shù)據(jù)大集中的發(fā)展和虛擬化技術的應用，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模與日俱增蝙昙，不僅對二層網絡的區(qū)域范圍要求也越來越大闪萄，在需求和管理水平上也提出了新的挑戰(zhàn)。
?????? 數(shù)據(jù)中心區(qū)域規(guī)模和業(yè)務處理需求的增加奇颠，對于集群處理的應用越來越多败去，集群內的服務器需要在一個二層VLAN下。同時烈拒，虛擬化技術的應用圆裕，在帶來業(yè)務部署的便利性和靈活性基礎上广鳍，虛擬機的遷移問題也成為必須要考慮的問題。為了保證虛擬機承載業(yè)務的連續(xù)性吓妆，虛擬機遷移前后的IP地址不變赊时，因此虛擬機的遷移范圍需要在同一個二層VLAN下。反過來即行拢，二層網絡規(guī)模有多大祖秒，虛擬機才能遷移有多遠。
?????? 傳統(tǒng)的基于STP備份設備和鏈路方案已經不能滿足數(shù)據(jù)中心規(guī)模舟奠、帶寬的需求竭缝，并且STP協(xié)議幾秒至幾分鐘的故障收斂時間，也不能滿足數(shù)據(jù)中心的可靠性要求沼瘫。因此抬纸，需要能夠有新的技術，在滿足二層網絡規(guī)模的同時晕鹊，也能夠充分利用冗余設備和鏈路松却，提升鏈路利用率，而且數(shù)據(jù)中心的故障收斂時間能夠降低到亞秒甚至毫秒級溅话。
二、 大二層需要有多大
?????? 既然二層網絡規(guī)模需要擴大歌焦，那么大到什么程度合適?這取決于應用場景和技術選擇飞几。
1. 數(shù)據(jù)中心內
?????? 大二層首先需要解決的是數(shù)據(jù)中心內部的網絡擴展問題，通過大規(guī)模二層網絡和VLAN延伸独撇，實現(xiàn)虛擬機在數(shù)據(jù)中心內部的大范圍遷移屑墨。由于數(shù)據(jù)中心內的大二層網絡都要覆蓋多個接入交換機和核心交換機，主要有以下兩類技術纷铣。
（1）虛擬交換機技術
?????? 虛擬交換機技術的出發(fā)點很簡單卵史，屬于工程派。既然二層網絡的核心是環(huán)路問題搜立，而環(huán)路問題是隨著冗余設備和鏈路產生的以躯，那么如果將相互冗余的兩臺或多臺設備、兩條或多條鏈路合并成一臺設備和一條鏈路啄踊，就可以回到之前的單設備忧设、單鏈路情況，環(huán)路自然也就不存在了颠通。尤其是交換機技術的發(fā)展址晕，虛擬交換機從低端盒式設備到高端框式設備都已經廣泛應用，具備了相當?shù)某墒於群头€(wěn)定度顿锰。因此谨垃，虛擬交換機技術成為目前應用最廣的大二層解決方案启搂。
?????? 虛擬交換機技術的代表是H3C公司的IRF、Cisco公司的VSS刘陶，其特點是只需要交換機軟件升級即可支持胳赌，應用成本低，部署簡單易核。目前這些技術都是各廠商獨立實現(xiàn)和完成的匈织，只能同一廠商的相同系列產品之間才能實施虛擬化。同時牡直，由于高端框式交換機的性能缀匕、密度越來越高，對虛擬交換機的技術要求也越來越高碰逸，目前框式交換機的虛擬化密度最高為4:1乡小。虛擬交換機的密度限制了二層網絡的規(guī)模大約在1萬～2萬臺服務器左右。
（2）隧道技術
?????? 隧道技術屬于技術派饵史，出發(fā)點是借船出海满钟。二層網絡不能有環(huán)路，冗余鏈路必須要阻塞掉胳喷，但三層網絡顯然不存在這個問題湃番，而且還可以做ECMP(等價鏈路)，能否借用過來呢?通過在二層報文前插入額外的幀頭吭露，并且采用路由計算的方式控制整網數(shù)據(jù)的轉發(fā)吠撮，不僅可以在冗余鏈路下防止廣播風暴，而且可以做ECMP讲竿。這樣可以將二層網絡的規(guī)模擴展到整張網絡泥兰，而不會受核心交換機數(shù)量的限制。
?????? 隧道技術的代表是TRILL题禀、SPB鞋诗，都是通過借用IS-IS路由協(xié)議的計算和轉發(fā)模式，實現(xiàn)二層網絡的大規(guī)模擴展迈嘹。這些技術的特點是可以構建比虛擬交換機技術更大的超大規(guī)模二層網絡(應用于大規(guī)模集群計算)削彬，但尚未完全成熟，目前正在標準化過程中江锨。同時傳統(tǒng)交換機不僅需要軟件升級吃警，還需要硬件支持。
2. 跨數(shù)據(jù)中心
?????? 隨著數(shù)據(jù)中心多中心的部署啄育，虛擬機的跨數(shù)據(jù)中心遷移酌心、災備，跨數(shù)據(jù)中心業(yè)務負載分擔等需求挑豌，使得二層網絡的擴展不僅是在數(shù)據(jù)中心的邊界為止安券，還需要考慮跨越數(shù)據(jù)中心機房的區(qū)域墩崩，延伸到同城備份中心、遠程災備中心侯勉。
?????? 一般情況下鹦筹，多數(shù)據(jù)中心之間的連接是通過路由連通的，天然是一個三層網絡址貌。而要實現(xiàn)通過三層網絡連接的兩個二層網絡互通铐拐，就必須實現(xiàn)“L2 over? L3”。
?????? L2oL3技術也有許多種练对，例如傳統(tǒng)的VPLS(MPLS L2VPN)技術遍蟋，以及新興的Cisco OTV、H3C
?????? EVI技術螟凭，都是借助隧道的方式虚青，將二層數(shù)據(jù)報文封裝在三層報文中，跨越中間的三層網絡螺男，實現(xiàn)兩地二層數(shù)據(jù)的互通棒厘。這種隧道就像一個虛擬的橋，將多個數(shù)據(jù)中心的二層網絡貫穿在一起下隧。
?????? 另外奢人，也有部分虛擬化和軟件廠商提出了軟件的L2 over L3技術解決方案。例如VMware的VXLAN淆院、微軟的NVGRE达传，在虛擬化層的vSwitch中將二層數(shù)據(jù)封裝在UDP、GRE報文中迫筑，在物理網絡拓撲上構建一層虛擬化網絡層，從而擺脫對網絡設備層的二層宗弯、三層限制脯燃。這些技術由于性能、擴展性等問題蒙保，也沒有得到廣泛的使用辕棚。
三、 結束語
?????? 大規(guī)模二層網絡的需求目前已經非常的清晰邓厕，各廠商都提出了有針對性的技術和方案逝嚎，滿足大二層的當前要求和未來擴展需求。但從實際應用情況來看详恼，除了虛擬交換機技術在成熟度和應用性方面得到驗證补君，其他的相關技術仍然在完善過程中。同時昧互，業(yè)界也希望加快相關技術的標準化進程挽铁，從而加強各廠商設備的兼容性和互通性伟桅，降低用戶的部署和維護成本。
