基于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的組播通信技術(shù)探究

朱新義

摘要：本文以數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為立足點，就組播通信技術(shù)進行介紹與分析。首先對overlay與underlay通信概念進行簡要介紹，并分析大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)環(huán)境條件下overlay通信技術(shù)面臨的主要問題及解決方法，介紹主流數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)下overlay多播流量的轉(zhuǎn)發(fā)模型。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò);overlay流量;underlay流量;組播通信

一、網(wǎng)絡(luò)邏輯層次分類

1、Underlay

Underlay就是當(dāng)前數(shù)據(jù)中心網(wǎng)路基礎(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，是多學(xué)科相互交融的復(fù)雜系統(tǒng)工程，可以實現(xiàn)互聯(lián)互通的底層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

2、overlay

Overlay指的是一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上疊加的虛擬化技術(shù)模式，其大體框架是在對基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)不進行大規(guī)模修改的條件下，實現(xiàn)應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)上的承載，并與其它網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)分離，是基于IP的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。一個Overlay網(wǎng)絡(luò)主要由三部分組成，1邊緣設(shè)備：是指與虛擬機直接相連的設(shè)備。2控制平面：主要負責(zé)虛擬隧道的建立維護以及主機可達性信息的通告。3轉(zhuǎn)發(fā)平面：承載Overlay報文的物理網(wǎng)絡(luò)。

簡單地說，overlay就是基于底層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通的基礎(chǔ)加上隧道技術(shù)去構(gòu)建一個虛擬的網(wǎng)絡(luò)。overlay的核心其實就是隧道（tunnel）技術(shù)。VXLAN（VirtualeXtensibleLAN）技術(shù)是當(dāng)前最為主流的Overlay標(biāo)準(zhǔn)。

二、應(yīng)用場景

通常數(shù)據(jù)中心的多播流量都是通過頭端復(fù)制的方式轉(zhuǎn)發(fā)，如果上行流量特別大，就會占用過多的上行帶寬。這時候可以考慮underlay組播復(fù)制的方式，降低上行帶寬壓力。具體實現(xiàn)就是為VNI分配一個Underlay的組播組，所有VTEP都加入這一組播組。對于接收到的多播流量，交換機只發(fā)出一份，這一份報文的目的封裝為基于VNI分配的組播IP。報文發(fā)出后經(jīng)過Underlay的IP組播進行復(fù)制，分別發(fā)給不同的VTEP設(shè)備。在此情況下，組播復(fù)制對上行帶寬的要求為：接收流量本身的帶寬。如果數(shù)據(jù)中心存在較大的密集組播流量，即同一個VNI內(nèi)存在多個主機間發(fā)送接收組播流，采用underlay轉(zhuǎn)發(fā)方案，可以大大降低帶寬壓力。

三、數(shù)據(jù)模型

1）單一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)流程，也是最簡單的組網(wǎng)。具體如下圖所示：

這是最簡單的組網(wǎng)環(huán)境，VM1是組播源。組播到達leaf1后，經(jīng)過underlay網(wǎng)絡(luò)通過組播復(fù)制到spine1與spine2及l(fā)eaf2、leaf3，如上圖紅色箭頭所示，然后再通過overlay轉(zhuǎn)發(fā)給其他虛擬終端，參考上圖的綠色箭頭。

2）疊加M-lag的組網(wǎng)場景

a、PIM-SM作為Underlay組播路由協(xié)議，非M-LAG節(jié)點發(fā)送多播，M-LAG節(jié)點接收多播，如下圖：

假設(shè)VM1發(fā)出多播流量;

1Leaf1上（VTEP1，Group）的出接口指向Spine1、Spine2，Leaf1接收VM1的多播流量后封裝成組播VXLAN報文，分別發(fā)送給Spine1、Spine2;

2Spine1作為組播RP結(jié)點，對于（VTEP1，Group）有出接口指向Leaf2，將流量發(fā)送給Leaf2;

3Spine2作為組播RP結(jié)點，對于（VTEP1，Group）有出接口指向Leaf3，將流量發(fā)送給Leaf3;

4Leaf2、Leaf3作為M-LAG，有主備之分，假如Leaf2是主設(shè)備，能轉(zhuǎn)發(fā)組播隧道的報文Leaf3

是備設(shè)備，不能轉(zhuǎn)發(fā)組播隧道的報文，underlay報文只在Leaf2被轉(zhuǎn)發(fā)，發(fā)送給VM2、VM3;

5Leaf2通過peerlink的overlay互聯(lián)，將報文同步給Leaf3，Leaf3接收后只發(fā)給單歸的VM4。

b、PIM-SM作為Underlay組播路由協(xié)議，M-LAG節(jié)點發(fā)送廣播，其他節(jié)點接收多播報文，

假設(shè)VM3發(fā)出多播流量，流量轉(zhuǎn)發(fā)模型如下;

1 Leaf2上（VTEP2，Group）的出接口指向Spine1（因為Leaf2、Leaf3的VTEP一樣，RP只會向其中一個引流，可能出現(xiàn)兩個RP都向M-LAG同一個節(jié)點引流或分別M-LAG不同的節(jié)點引流），還有一個出接口為經(jīng)過Underlay的PeerLink口;

2 報文發(fā)送給Spine1、Leaf3;Leaf2同時通過peerlink接口同步一份overlay流量，發(fā)送一份給VM4;

3 Leaf3從peerlink口接收的overlay流量發(fā)送給VM4;Leaf3上PeerLink口的Underlay互聯(lián)口為Underlay組播入接口，出接口指向Spine2與PeerLink口，流量只被發(fā)送給Spine2，因為Peerlink鏈路上由于源剪枝不會往回發(fā)送多播流量;

4 Spine1、Spine2各自根據(jù)（VTEP2，Group）將流量發(fā)送給Leaf1、LeafX;

5 Leaf1、LeafX剝掉vxlan封裝后將流量發(fā)送VM1、VM5;

四、結(jié)束語

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)分為Underlay和Overlay兩個部分，是數(shù)據(jù)中心虛擬化大背景下的產(chǎn)物，Overlay和Underlay網(wǎng)絡(luò)相互獨立，又密不可分。Overlay網(wǎng)絡(luò)使用Underlay網(wǎng)絡(luò)點對點傳遞報文，而報文如何傳遞完全取決于Underlay網(wǎng)絡(luò)的控制平面和數(shù)據(jù)平面，Overlay網(wǎng)絡(luò)的封裝協(xié)議決定報文網(wǎng)絡(luò)出入節(jié)點的處理。Overlay核心是隧道技術(shù)，VXLAN，NVGRE及STT是典型的三種隧道技術(shù)，我們在對物理網(wǎng)絡(luò)不做任何改造的情況下，通過隧道技術(shù)在現(xiàn)有的物理網(wǎng)絡(luò)上創(chuàng)建一個或多個邏輯網(wǎng)絡(luò)即虛擬網(wǎng)絡(luò)，有效解決了物理數(shù)據(jù)中心，尤其是云數(shù)據(jù)中心的許多問題，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的智能化和自動化。

參考文獻：

[1]左加闊，楊龍祥.D2D組播通信中的高能效資源分配研究[J].中南大學(xué)學(xué)報（英文版），2019，26（11）：3034-3044.

[2]肖海林，吳彬，張中山.C-V2X下車載安全數(shù)據(jù)兩階段組播的中繼選擇與功耗分析[J].電子學(xué)報，2019，47（11）：2248-2255.

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