基于云計(jì)算的TRILL大二層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究

林聰敏

摘 要 隨著社會科技的進(jìn)步與發(fā)展，云計(jì)算技術(shù)已經(jīng)發(fā)展較為成熟。支持云計(jì)算的數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)需求不斷增多，規(guī)模不斷擴(kuò)張，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)逐漸不適應(yīng)這種變化。為了在云計(jì)算環(huán)境下，更加高效、便捷的進(jìn)行數(shù)據(jù)交換是目前急需解決的問題。針對這個(gè)問題，本文研究了基于云計(jì)算的TRILL大二層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及構(gòu)建方案。

關(guān)鍵詞 TRILL；大二層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；云計(jì)算；數(shù)據(jù)中心

中圖分類號：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）24-0035-02

云計(jì)算是基于互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展而來的一種增值服務(wù)與交付模式。云計(jì)算主要提供的是虛擬化的資源，并且用戶的獲得這種服務(wù)的途徑是通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的。目前，世界上著名的計(jì)算機(jī)業(yè)公司巨頭，如微軟、IBM、亞馬遜等大型跨國公司均發(fā)布了各自的云計(jì)劃戰(zhàn)略。例如，亞馬遜的AWS（Amazon Web Services），IBM公司與谷歌公司聯(lián)合推出的藍(lán)云（Blue Cloud）計(jì)劃等，這些產(chǎn)品無不體現(xiàn)了云計(jì)算的商業(yè)價(jià)值。不僅如此，世界的科研機(jī)構(gòu)和高校的研究者們對云計(jì)算進(jìn)行了廣泛而又深入的研究。例如我國的清華大學(xué)與谷歌和華盛頓大學(xué)合作進(jìn)行云計(jì)算的學(xué)術(shù)合作計(jì)劃，推動云計(jì)算的普及，加緊加快對云計(jì)算的研究。美國卡耐基梅隆大學(xué)等提出對數(shù)據(jù)密集型的超級計(jì)算（DISC：Data Intensive Super Computing）進(jìn)行研究，本質(zhì)上也是對云計(jì)算相關(guān)技術(shù)展開研究。

在云計(jì)算環(huán)境下，數(shù)據(jù)中心作為支持云計(jì)算的基礎(chǔ)支撐機(jī)構(gòu)，一般采用分布式的方式對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、數(shù)據(jù)挖掘、關(guān)聯(lián)查詢、搜索等相關(guān)業(yè)務(wù)，服務(wù)器之間的協(xié)同工作導(dǎo)致大量的數(shù)據(jù)在服務(wù)器間傳輸。數(shù)據(jù)中心在為云計(jì)算的上層提供服務(wù)的同時(shí)，一般采用虛擬化技術(shù)。數(shù)據(jù)的虛擬化更加使計(jì)算量大大提升，服務(wù)器的吞吐量將會提升數(shù)倍，對服務(wù)器的承載能力造成巨大的壓力。針對這種問題，為了增加數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)的可靠性、降低云服務(wù)商和客戶的成本，開發(fā)了在數(shù)據(jù)中心內(nèi)動態(tài)遷移的虛擬機(jī)技術(shù)。這些逐漸擴(kuò)大規(guī)模的海量數(shù)據(jù)以及優(yōu)質(zhì)服務(wù)的需求，促進(jìn)了數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演進(jìn)，大二層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。

1 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的局限性

傳統(tǒng)的云計(jì)算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中，生成樹協(xié)議STP（Spanning Tree Protocol），是二層網(wǎng)絡(luò)中一種常見的、使用廣泛的協(xié)議。為了保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性，通常會采用冗余設(shè)備和冗余鏈路的方法，這樣就有形成環(huán)路的風(fēng)險(xiǎn)。然而二層網(wǎng)絡(luò)處于同一個(gè)廣播域下，廣播報(bào)文在環(huán)路中會反復(fù)持續(xù)傳送，形成廣播風(fēng)暴，瞬間即可導(dǎo)致端口阻塞和設(shè)備癱瘓。因此，為了防止這種廣播風(fēng)暴的危險(xiǎn)，同時(shí)又要避免環(huán)路的形成，只能將冗余的設(shè)備和鏈路轉(zhuǎn)變?yōu)閭浞莸脑O(shè)備和鏈路。具體做法是，將冗余的設(shè)備端口在正常情況下阻塞掉，不參與數(shù)據(jù)報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文的設(shè)備、端口以及鏈路出現(xiàn)故障的時(shí)候，這些冗余的設(shè)備端口和鏈路才會被打開，將網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常使用。

上述這些對設(shè)備端口和鏈路的控制，是由生成樹協(xié)議完成的。生成樹協(xié)議具有收斂性，所以生成樹協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模一般只有幾十臺交換機(jī)。另外，這種傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需要組建冗余的設(shè)備以及鏈路，造成的問題是網(wǎng)絡(luò)資源的帶寬利用率大大降低。因此，對數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，要充分考慮帶寬、利用率以及可靠性等問題，會盡可能對生成樹協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行范圍的控制。

2 云計(jì)算中TRILL大二層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

為了解決云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的STP組網(wǎng)局限性的問題，TRILL便應(yīng)運(yùn)而生。TRILL（Transparent Interconnection of lots of links，多鏈路透明互聯(lián)）是IETF為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心大二層擴(kuò)展制定的—個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。TRILL協(xié)議的主要內(nèi)容是，將傳統(tǒng)的三層路由控制算法引入二層交換中來，用新的隧道封裝加載原來的L2報(bào)文之上，并且轉(zhuǎn)到新的地址進(jìn)行報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)。新的地址具有與IP類似的路由屬性，即擁有能夠?qū)崿F(xiàn)兩點(diǎn)間多條路徑同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)流量ECMP（Equal Cost Multi Pathing），類似IP網(wǎng)絡(luò)的平滑擴(kuò)展，快速收斂，防止廣播風(fēng)暴，保持原有二層網(wǎng)絡(luò)配置的簡潔性的優(yōu)勢，從而克服了傳統(tǒng)的STP等技術(shù)的不足，能夠?qū)崿F(xiàn)健康的大規(guī)模二層組網(wǎng)。下面分別從幾個(gè)方面分析云計(jì)算中組建TRILL大二層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

1）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

TRILL大二層網(wǎng)絡(luò)中，每臺設(shè)備均以自身的節(jié)點(diǎn)作為源節(jié)點(diǎn)，通過路由路徑計(jì)算，計(jì)算自己到其他所有節(jié)點(diǎn)的最短路徑。假如尋找最短路徑的結(jié)果存在多條等價(jià)鏈路，則能夠?qū)尾ヂ酚杀眄?xiàng)進(jìn)行均衡負(fù)載，多條等價(jià)鏈路將負(fù)載平均分配到各自的鏈路上，減輕了每條鏈路的負(fù)載壓力。因此，當(dāng)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行胖樹組網(wǎng)及多路徑轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，有效利用網(wǎng)絡(luò)帶寬。由于TRILL轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)文時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)ECMP和最短路徑，因此，TRILL大二層網(wǎng)絡(luò)中能夠有著高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率，能夠有效的提升數(shù)據(jù)中心的吞吐量。

2）抑制環(huán)路形成。

TRILL大二層網(wǎng)絡(luò)中，能夠進(jìn)行自動的分發(fā)樹樹根的選舉。每個(gè)RBridge（簡稱RB）節(jié)點(diǎn)以分發(fā)樹樹根為源節(jié)點(diǎn)，計(jì)算到達(dá)所有其他RB節(jié)點(diǎn)的最短路徑。因此，可以自動構(gòu)建成為整網(wǎng)共享的組播分發(fā)樹，基于該共享的分發(fā)樹，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將所有節(jié)點(diǎn)連接起來，以此來承載大二層網(wǎng)絡(luò)中未知單播、廣播或組播數(shù)據(jù)報(bào)文，避免環(huán)路的形成。另外，TRILL協(xié)議的頭部有Hop—Count字段，這樣能夠進(jìn)一步減輕臨時(shí)環(huán)路對網(wǎng)絡(luò)的影響，從而能夠進(jìn)一步抑制環(huán)路風(fēng)暴的形成。避免環(huán)路的形成是TRILL支持大二層網(wǎng)絡(luò)的原因之一。

3）收斂行為。

在傳統(tǒng)的二層網(wǎng)絡(luò)中，ETH頭部沒有TTL字段。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓那闆r下，STP收斂速度很慢，有時(shí)甚至需要耗費(fèi)幾十秒才能夠達(dá)到收斂狀態(tài)，這樣便無法滿足云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的高可靠性要求。而TRILL大二層網(wǎng)絡(luò)中，采用路由協(xié)議生成轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)，并且TRILL頭部的Hop-Count字段能夠允許形成短暫的臨時(shí)環(huán)路，因此，在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)和鏈路故障的情況下，能夠進(jìn)行快速的收斂。

4）部署方式。

TRILL進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)自動化部署能力很強(qiáng)，其原因在于TRILL協(xié)議配置非常簡單，許多配置參數(shù)能夠自動形成，很多TRILL協(xié)議進(jìn)行默認(rèn)設(shè)置；TRILL協(xié)議中，對單播、組播進(jìn)行統(tǒng)一控制，因此用戶只需維護(hù)一套協(xié)議即可，可維護(hù)性增強(qiáng)；因此，TRILL在大二層網(wǎng)絡(luò)中使用具備傳統(tǒng)二層網(wǎng)絡(luò)即插即用、方便易用的特點(diǎn)。

3 TRILL大二層網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

如圖1所示，描述的是一個(gè)簡單的TRILL園區(qū)的網(wǎng)絡(luò)。該應(yīng)用中用五個(gè)RB（RBridge）構(gòu)成了整個(gè)TRILL園區(qū)的網(wǎng)絡(luò)。其工作原理是：數(shù)據(jù)從左側(cè)的Ingress RBridge進(jìn)入TRILL園區(qū)的邊緣RBridge。這時(shí)，二層數(shù)據(jù)幀被封裝為Trill數(shù)據(jù)幀，在TRILL園區(qū)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)過程中，不會改變原二層數(shù)據(jù)的內(nèi)容。在Trill campus中進(jìn)行若干步的轉(zhuǎn)發(fā)后，到達(dá)Trill網(wǎng)絡(luò)的邊緣，即目的RBridge，該RBridge上連著原始二層幀希望到達(dá)的目的終端，稱該RBridge為Egress RBridge。在Egress RBridge上從TRILL幀中解析出原始二層數(shù)據(jù)幀，把原始二層數(shù)據(jù)幀送往終端。

4 結(jié)束語

本文研究了基于云計(jì)算的TRILL大二層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及構(gòu)建方案，通過對云計(jì)算的TRILL大二層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)深入的分析，該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)高效、抑制環(huán)路形成，收斂速度快以及部署簡單的特點(diǎn)，能夠滿足云計(jì)算環(huán)境下的虛擬機(jī)遷移、低延時(shí)等性能要求。

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