虛擬化數據中心網絡的研究

李莉，劉路，劉佳

（中國航空規劃設計研究總院有限公司，北京 100120）

1 虛擬化數據中心網絡面臨的問題分析

1.1 網絡性能瓶頸問題

虛擬化數據中心，有限上聯網絡寬帶是共享的，會造成網絡交換機流量加大，這樣會影響數據的傳輸速度，并使交換機接口成為瓶頸。

1.2 網絡可靠性問題

在服務器或其關聯的交換機出現問題時，此服務器上運行的所有虛擬機將不再提供外部服務，這會帶來很大的影響，所以數據中心網路的健壯性要強，這樣單純的交換機或是路由器等出現問題，不會對其他的運行產生影響。總之，數據中心提供的服務能力一定要確保其可靠性和持久性。另外，對于故障還要有相應的恢復機制，從而有利于保證其有序工作。

1.3 網絡擴展性問題

虛擬化數據中心的不斷運行發展，會有越來越多的用戶，同時，也會有越多越多的業務，所以，為滿足這一發展需要，虛擬化數據中心網絡應不斷提高其便捷性和靈活性。

1.4 虛擬機流量的監管和網絡控制策略的部署問題

盡管物理服務器可以在虛擬化數據中心中運行多個虛擬機，但是，它們的上行鏈路很常見。所以，如果一臺虛擬機的網絡發生了網絡風暴，它會不會影響它的共享服務器？目前亟待解決的問題是如何避免其他虛擬機受到影響，如何監控虛擬機之間的網絡流量，如何實施網絡訪問控制措施，是目前亟待解決的問題。

1.5 虛擬機遷移后出現網絡配置問題

在物理服務器上運行虛擬機時，若虛擬機從一臺服務器傳輸到另一臺，有必要使網絡感到虛擬機的轉移，同時，能夠對與之相應的網絡鏈接配置進行快速改動，網絡策略隨之進行轉移，這樣才能確保業務不中斷，這是當前虛擬化網絡面臨的問題，急需處理。

2 虛擬化數據中心網絡問題的應對措施

2.1 解決網絡性能瓶頸、魯棒性和擴展性問題

首先，不能將傳統樹形網絡應用到虛擬數據中心。當前，ATC系統普遍采用的網絡結構是樹型結構，包含核心層、串聯層、接入層。核心層最上面的部分是高性能路由器或者交換機。聚合層網絡設備通過核心路由器與上層網絡連接，接入層交換機通過網絡設備與匯聚層連接，服務端連接到訪問開關。圖1表顯示了具體的結構。

圖1 樹形網絡結構

這類樹有它自己的優點，因此應具有廣泛的應用范圍，但是，它有其局限性，華東的虛擬化數據中心不適用，以下是主要理由：首先，隨著虛擬化數據中心的發展，用戶將不斷增加，但它的結構也存在一些問題，如果受到核心層設備性能和端口數量的限制，難以開發、升級；二是網絡容錯性差。如果一臺路由器或交換機運行不正常，那么，底層和所連接的路由器、交換機或服務器之間就不存在信息傳輸通道，使整個數據中心網絡變成三維孤立的網絡；同樣，如果在系統的性能達到瓶頸的時候，核心點上的大負荷會聚集到核心交換節點，因此，會影響整個網絡的性能；同時，在虛擬數據中心內，在一個物理服務器上同時運行多個虛擬機。接入層交換機使用同一寬帶端口，但是，信息擁塞，導致系統性能下降。空管局虛擬化數據中心網絡拓撲結構，利用網絡虛擬化技術，采用網絡虛擬化技術，可解決下列問題：

第一，網絡具有自身的優勢，具備備份能力，應對突出情況，可準備多份副本。如果虛擬交換機團隊成員遇到問題，其他團隊成員能夠快速積極地響應并接管業務，這使他們能夠自己解決問題而不影響自己的工作；第二，網絡設備的接口和交換能力易于擴展，只有擴展棧組中的成員才能實現；第三，利用此技術，無須使用生成樹協議，沒有生成樹協議的設備可以實現單個實體，它從根本上解決了循環收斂問題；四是交換機之間采用鏈路捆綁技術的連接，不但方便增加寬帶容量，解決網絡性能瓶頸，假如一條鏈接出了問題，迅速地轉換成其他鏈接，以提高網絡連接的可靠性。

它也叫胖樹結構，以樹型結構為基礎進行改良。從這個結構來看，整個網絡的拓撲還包括三個層次：底部(接入層）、中間層(匯聚層)和上層(核心層)。在這些交換機中，通過上行鏈路，50%的端口連接到上匯聚層的交換機，剩下的50%端口連接到服務器設備。類似地，聚合層和核心層之間的連接與接入層和聚合層的連接相同。在這種結構中，聚合層和接入層之間的連線將增大，聚集層和核心層之間的連接路徑也增加了。此外，該結構可減少單點故障，系統不會因路徑中斷而無法使用，因此，增加了數據中心的可靠性，增加了網絡連接。同時，核心層和聚合層存在更多的“粗”鏈路，有助于聚集流的緩解，并能夠及時處理核心鏈路上的負載。

Fat-tree結構采用兩張路由表進行兩級路由，每臺交換機具有固定的編碼規則，其結構如圖2所示。

圖2 Fat-tree 結構

利用Fat-tree結構可以解決以下問題：

第一，在網絡的各個層面，服務器生成的流量滿足最大的核心層吞吐量，不存在網絡瓶頸。顯然，采用這種結構，避免了樹狀結構中上層鏈路抑制網絡吞吐量的情況；第二，支持ECMP等多路徑路由技術，使內部節點之間有多條平行的鏈路，第三，具有良好的網絡擴展性，不存在單一故障。胖樹網絡有48端口交換機，可滿足成千上萬臺服務器的需求；第四，IP地址在結構中有相應的規則，精確定位，有利于簡化管理配置。

2.2 對虛擬機流量管制和網控策略部署問題的反應

虛擬機器的出現是網絡面臨的一大挑戰。對于同一組物理設備，不同的虛擬機需要高度的網絡隔離能力，需要改善。只有這樣，才能在同一個網絡系統上保證有多個虛擬機。如果網絡中的虛擬機出現網絡風暴問題，需要確保使用相同物理設備的其他虛擬機受到暴風雨的保護，同時，它還可以監測各個虛擬機之間的網絡通信。實踐證明，VEPA技術可以有效解決上述問題。VEPA協議的核心思想是外部物理交換機為所有虛擬機生成對應的虛擬實例。當虛擬機產生了通信后，

這種技術將所有的網絡通信交給物理交換機來處理。盡管同一個服務器上有兩個虛擬機，還可以從源虛擬機開始向外部物理交換機發送兩個服務器間的通信交互，該交換將基于轉發結果將通信發送到服務器上的目標虛擬機。使用這項技術，通過網絡管理，可以實現物理交換機的流量統計，以及與服務器的訪問控制策略等。

2.3 虛擬機遷移后網絡配置問題的對策

因為虛擬化已經部署，將單個物理服務器轉變為多個虛擬機，而且他們是動態的，當數據中心環境和應用系統發生變化時，要將一臺虛擬機從一個服務器轉移到另一個服務器，將對虛擬機繼續業務訪問，它要求交換機能夠感知虛擬機的變化，在交換機端口同時實現訪問策略的自動改變，虛擬機訪問策略傳輸最終完成。數據中心基礎設施的靈活性由于人工和手工的幫助而大大降低，人力成本也上升了。經過研究發現，VDP技術能夠解決虛擬機接入定位精度和網絡策略配置的問題。使用VDP的發現和通知，學習虛擬機信息以及連接到鄰近物理交換機的相應網絡連接配置信息，請求會自動發送到網絡管理系統，請求相關的網絡連接概要，在交換機上部署相關的訪問策略。

3 結語

綜上所述，與傳統網絡不同的是，虛擬化數據中心對網絡的傳輸提出了更高的要求，同時，它也面臨著相應的問題。因此，需要針對這些問題采取相應的措施，希望能為空管數據中心系統的建設提供一些有價值的參考。