关于数据中心横向虚拟化技术的几点分析

随着IT技术日新月异的发展，云计算逐渐成为主流，深刻的改变了人们对于传统IT的认知。 而数据中心作为实现云计算的重要载体，也随之发生了翻天覆地的变化，为了应对全新的技术变革，市场上的新兴产品、技术应运而生。

毫无疑问，当数据中心的网络规模越来越大时，企业的运维压力也随之增加，网络虚拟化技术的发展，刚好解决这一难题。虚拟化技术分为横向虚拟化、纵向虚拟化、一虚多虚拟化、网络功能虚拟化等，今天就重点跟大家聊聊横向虚拟化。

横向虚拟化的

起源

在数据中心网络发展初期，没有专门的数据中心交换机。所以在早期的数据中心建设中，IT工作者们延续了传统的以太网经典三层架构来部署，即将网络分为接入（access）、汇聚（aggregation）和核心（core），并运行STP来阻止环路，延用了架构也自然就继承了他的缺点，传统STP存在以下问题：

流量越来越大，STP阻断导致链路利用率低；

非最短路径转发，树根存在带宽瓶颈，转发时延大；

VRRP单活网关，备节点设备闲置；

STP网络规模受限，收敛性能较差；

管理节点多，逻辑拓扑复杂，维护麻烦。

这些问题虽然在传统网络中存在，但是瑕不掩瑜，STP到今天为止仍然在传统园区网中被广泛使用。但是到了数据中心网络，其I/O更为密集，更加追求高效率和扩展性。这些需求都是STP所难以实现的，很大程度上限制了网络架构的发展，这也成为STP技术必然被数据中心网络淘汰的“硬伤”。

于是，横向虚拟化技术应运而生。

最早的横向虚拟化堆叠技术

堆叠是最早的横向虚拟化技术，它是指将多台支持堆叠特性的交换机组合在一起，从逻辑上组合成一台交换设备。堆叠技术本质上就是“合并”，管理平面、控制平面、转发平面的全面合并，这台逻辑设备不但具有唯一的管理IP，而且在各种L2和L3协议中也将表现为一个整体。对于上游和下游设备来说，它们看到这个堆叠组就是一台交换机。对于网络运维人员来说原本需要管理多台设备，现在只需管理一台设备即可。

堆叠技术不仅解决了STP的各种劣势，并且存在一定的优点，总结如下：

1、高可靠性

可实现堆叠系统多台成员交换机之间的冗余备份，并且支持跨设备的端口聚合功能，实现跨设备的链路冗余备份。

2、强大的网络扩展能力

通过增加成员交换机，可以轻松的扩展堆叠系统的端口数、带宽和处理能力；同时支持成员交换机热插拔，新加入的成员交换机自动同步主交换机的配置文件和系统软件版本。

3、简化配置和管理

一方面，用户可以通过任何一台成员交换机登录堆叠系统，对堆叠系统所有成员交换机进行统一配置和管理；另一方面，堆叠形成后，不需要配置复杂的二层防环协议和三层热备份路由协议，简化了网络配置。

堆叠技术的不足

但随着时间的推移，堆叠技术的缺点也逐渐暴露，这是由堆叠原理本质所决定的。主要原因是在一个堆叠系统内，管理平面、控制平面、数据平面的完全合并，会导致如下问题：

a. 堆叠系统的软件升级 由于堆叠本身承担了业务保护功能，因此当堆叠系统升级时，不能像VRRP的成员节点升级时由另外一个节点进行流量保护，中断时间比较长。虽然有类似ISSU的技术可以实现不中断升级，但ISSU的适用范围，仅限两个版本差距极小的情况，常规交换机系统升级都需要堆叠的多台设备同时重启。甚至因为技术复杂度、软件工程复杂度的提升，放大了升级风险。

在数据中心网络，网络中断几乎是无法忍受的，所以数据中心“去堆叠化”已经逐渐成为了一种趋势。

b. “脑裂”问题 交换机之间互联的堆叠线路出现故障或者异常时，将导致堆叠分裂。虽然不常见，但是在实际运行过程中仍会遇到。分裂后，等同于网络中出现了两台配置完全相同的交换机，造成网络配置冲突，最终导致堆叠系统所承载的业务中断。

c. CPU使用率过高 我们可以设想如下场景，两台双引擎核心设备做堆叠，主设备的主引擎需要协调2个机框共4个引擎的堆叠信令，导致堆叠信令处理加倍，CPU使用率陡增。另一个原因是业务协议报文处理增倍，如STP、802.1X、OSFP、MPLS等，2个机框堆叠提供了翻倍的连接，每个连接上都运行各种协议报文。而交换机堆叠后，为了实现多框间同步，2个机框共4块引擎中仅有1个引擎处于工作状态，4个CPU的压力集中到1个，极易造成CPU过高导致宕机重启等风险，例如正常情况下单机引擎CPU负载30%，在2个机框堆叠情况下可能就已经达到100%。

综上所述，堆叠技术在数据中心环境

显然已不是最优的选择

那是否有其他的虚拟化技术

既可以继承堆叠的优势，又可以规避掉它的劣势呢？

答案是肯定的

vPC技术优势

vPC（virtual Port-Channel）就是这样的虚拟化技术，堆叠是整机级别的虚拟化，vPC则是接口级的虚拟化，它把机框堆叠中的跨设备链路聚合加强了，即跨设备的链路聚合。

同一个vPC组内的两台成员设备的管理和控制平面是独立的，从接入设备的视角来看，vPC与传统堆叠类似，它看到的就是一台逻辑的交换机。但是从三层的角度看，vPC的两个成员都拥有独立的IP地址，两个成员仅存在数据层面的合并，而管理和控制层面都是相互独立的。

vPC的部署拓扑如上图所示，它与前面的传统部署方案相比的优势在于：

1.允许下行设备通过port-channel跨两个不同的上行设备，增加了上行带宽；

2.避免了以太网环路，也就不需要增加生成树（STP）的功能，解决了因为生成树功能而产生的block端口；

3.当链路或是设备出现故障，可以实现快速的故障恢复；

4.双活，确保高可靠性。