給過熱的“扁平網絡”潑潑冷水

虛擬化技術的普及為網絡流量帶來了新的壓力，這迫使IT部門需要重新審視現有的傳統三層網絡方案。這些分層網絡的設計特性使其容易產生阻塞點和延遲，同時提供的冗余功能非常原始。

扁平網絡由此應運而生。扁平網絡一般被認作是一種網絡架構（fabric），其優勢在于能夠允許更多的路徑通過網絡，以滿足數據中心的新要求，包括對虛擬化網絡和虛擬機遷移的支持。扁平網絡旨在盡量縮短延遲，提高可用帶寬，同時提供虛擬化環境下所需的眾多網絡路徑。由于其將傳統的接入、匯聚、核心三層網絡架構進行了簡化，因此人們形象地將其冠以“扁平”的稱號。

不過，扁平網絡的部署是需要一些“破舊立新”精神的，這包括重新設計數據中心局域網架構，并且采用新的標準。本文將分析扁平網絡與傳統分層基礎架構有何不同，并且提出需要注意的問題。

扁平網絡的起源

十多年前，以太網贏得了局域網之爭，但是它仍存在一些重大局限。一個突出的問題就是轉發機制。當以太網交換機在轉發表中沒有成對的MAC地址和接口時，或者它收到廣播的以太網幀時，交換機就會復制幀，將副本轉發到所有接口。由于以太網沒有生存時間（TTL）報頭字段來防止幀無限制地轉發，如果網絡中有物理回路，這些幀就會被不斷復制，在整個網絡中重復播送，直到網絡崩潰為止。

知名網絡工程師、英特爾實驗室院士Radia Perlman發明了生成樹算法來解決這個問題，該算法已成為生成樹協議（STP）的一部分。時至今日，依然有很多應用中的企業網從來沒有更改過生成樹的默認設置，卻又能確保網絡正常運行，同時提供一定的冗余功能。

不過，雖然STP解決了重大問題，但是其也迫使我們不得不采用一些并非是為當今數據中心需求而優化的網絡設計。比如說，STP路徑在“南北樹”中已經確定，這迫使流量必須從架頂式交換機向外傳送到分配節點交換機，然后回過來頭再傳送到另一臺架頂式交換機。相比之下，直接在兩臺架頂式交換機之間傳送數據的“東西路徑”將更有效，但是STP不允許這樣的路徑。

各種扁平網絡對比

這時候，扁平網絡登場了。其可以減少延遲，以節省更多的帶寬，并加大數據中心在網絡基礎架構方面的投資回報。

有幾種方法來設計扁平網絡或網絡架構。你可以使用TRILL、SPB或者一些廠商所提供的幾種專有方案。這些方案有兩種類型。

第一類包括TRILL（來自IETF）、SPB（來自IEEE）、思科的FabricPath和博科的Virtual Cluster Switching（VCS）等，這些技術旨在使局域網交換機更智能化。大體上來說，這些技術都能使用路由選擇協議（IS-IS：Intermediate System to Intermediate System Routing Protocol，用以規劃通過網絡的最佳路徑）來處理任務。其原理是記住和分配轉發路徑，以及跨多條路徑將流量從A主機轉發到B主機。不過，它們的實現方式大不一樣。

TRILL為普通的以太網幀增添了一種新型的幀（TRILL幀），可將它們在入站RBridge與出站RBridge之間轉發。RBridges就好比是郵政編碼，一旦我們掌握了正確的郵政編碼（出站RBridge），那么，其實最后的街道地址（相當于主機B的目的地MAC）并不重要。入站RBridge有一份最終MAC地址與“郵政編碼（RBridge）”之間的映射表，所有中間交換機都會將流量從一個“郵政編碼”傳送到另一個“郵政編碼”。這個額外的封裝報頭還包括一個TTL字段，有助于阻止物理回路帶來的洪水流量。

同TRILL不同的是，SPB并不是以一種新型的幀來封裝流量，而是采用Q-in-Q封裝或MAC-in-MAC封裝。一旦交換機通過IS-IS記住了目的地地址到出站交換機的映射，就用一種新的Q-in-Q幀或MAC-in-MAC幀來封裝原始幀，進而將新幀發送到出站交換機。

盡管目前有很多文章都提到了上述技術的優勢，不過對于TRILL和SPB存在的缺點卻語焉不詳。實際上，盡管它們解決了生成樹的一些局限，不過其仍然存在不足。比如說，它們的拓撲結構可能需要在安全方面進行大量配置，以確保交換機只與授權交換機進行通信。

思科FabricPath和博科VCS同TRILL類似，原因在于它們也封裝流量，以便跨網絡架構骨干網來進行傳送。不過，這些是與TRILL無法協同運行的私有技術。實際上，它們的運行模式與現有的生成樹網絡完全不同。VCS要么會將生成樹信息通過其專有網絡架構傳送，要么干脆完全丟棄。FabricPath則在其專有網絡架構的邊緣干脆將生成樹域終止。

第二類技術索性就擯棄了分層設計，從而消除生成樹效率低下的問題。這種方案把所有交換機看做一個單一而且非常龐大的交換機或者網絡架構。瞻博的QFabric就是個例子。實際上，真實物理交換機只是被看作是這個虛擬的巨大網絡架構里面的一組刀片。在瞻博的網絡模型中，QF/Director處理控制面板，負責協調交換機運作。整個網絡架構不僅在連接的主機時看來像一個龐大的交換機，而且在同TRILL或SPB連接時也是如此。此外，其還可以被當做一臺交換機來加以管理。

這一類型中的另一種代表性技術被稱作多機箱鏈路聚合MC-LAG（Multi-Chassis Link Aggregation Group），大多數主流交換機廠商都提供這種技術。MC-LAG交換機為下游STP網橋充當了單一交換機，以消除冗余路徑的生成樹阻塞。這便于提高鏈路的利用率，并簡化管理。大多數MC-LAG部署將聚合交換機數量限制在兩臺。

扁平局域網架構確實大有希望，而且也被外界所“熱炒”，但是我們并不建議盲目采用這一架構。如果你的工程師確實沒時間來設置生成樹根網橋的優先級值，以便生成樹算法可以選擇最佳的樹，那么你真的認為TRILL、SPB或者其他任何更復雜的架構會合理調優嗎？

生成樹所帶來的局域網穩定性是不容忽視的，因此，你必須清楚地了解新的扁平化技術可能導致的后果。分層網絡架構大行其道，是有其道理的。要知道，其的確切實可行。如果你決定走扁平網絡這條路，那么采用上述這些新技術時一定要謹慎。