Cisco最后的王牌—FabricPath

　　眾所周知，Cisco正憑借Nexus產(chǎn)品平定整個(gè)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)，2010年，Cisco打出了深藏已久的最后一張王牌—FabricPath，至此，Nexus交換機(jī)的主要特性已全部面向公眾發(fā)布，F(xiàn)abricPath為整個(gè)計(jì)劃添上了最后一塊基石，進(jìn)一步穩(wěn)固了Nexus作為下一代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的地位。

　　大部分人(包括我)第一次閱讀FabricPath華麗的白皮書(shū)后，只朦朧地知道這是一個(gè)“能在大型二層數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多路徑的東東”，既然FabricPath解決的是數(shù)據(jù)中心的問(wèn)題，我們首先需要弄清楚數(shù)據(jù)中心到底有什么問(wèn)題。

　　今天的大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)是遵循標(biāo)準(zhǔn)的層次化理念建設(shè)的，分為接入層和匯聚/核心層，接入層和匯聚層之間為二層鏈路，三層網(wǎng)關(guān)設(shè)在匯聚或核心，所有的二層鏈路上都運(yùn)行生成樹(shù)協(xié)議(STP)，當(dāng)任意兩點(diǎn)間有一條以上路徑可達(dá)時(shí)，STP會(huì)block多余的路徑，以保證兩點(diǎn)間只有一條路徑可達(dá)，從而防止環(huán)路的產(chǎn)生。這種模式在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間被大規(guī)模采用，因?yàn)槠洳渴鹌饋?lái)非常簡(jiǎn)單，接入層設(shè)備不需要復(fù)雜的配置，大部分的網(wǎng)絡(luò)策略只要在匯聚層集中部署就能分發(fā)到全網(wǎng)。但隨著數(shù)據(jù)中心的規(guī)模不斷擴(kuò)張，這種模型逐漸顯得力不從心。

　　未來(lái)數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的橫向流量將越來(lái)越大，新加入的設(shè)備同原有設(shè)備之間仍然要運(yùn)行STP，如果兩臺(tái)服務(wù)器之間只有一條鏈路可行，其余的萬(wàn)兆交換機(jī)端口全被block，不但是投資的極大浪費(fèi)，也無(wú)法支持業(yè)務(wù)的快速擴(kuò)展;其次，當(dāng)交叉鏈路數(shù)量增加時(shí)，二層網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)會(huì)變得非常復(fù)雜，哪條鏈路該保留哪條鏈路該阻斷?三層網(wǎng)關(guān)設(shè)在何處?類(lèi)似這樣的問(wèn)題會(huì)冒出一大堆，這就失去二層網(wǎng)絡(luò)配置簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì);最后，傳統(tǒng)的二層MAC地址沒(méi)有層次化的概念，同一個(gè)二層網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的接入交換機(jī)上存儲(chǔ)本網(wǎng)段所有設(shè)備的MAC地址，這很容易導(dǎo)致邊緣設(shè)備的MAC地址空間耗盡，特別是在虛擬化的數(shù)據(jù)中心內(nèi)，虛擬機(jī)的MAC地址數(shù)量可能以千計(jì)。

　　如果二層互聯(lián)不能解決問(wèn)題，另一種思路是在匯聚交換機(jī)和接入交換機(jī)上設(shè)置IP網(wǎng)關(guān)，通過(guò)三層路由將所有交換機(jī)連接起來(lái)，類(lèi)似的解決方案還包括將網(wǎng)關(guān)設(shè)置在核心設(shè)備上，通過(guò)核心設(shè)備集中互聯(lián)。這個(gè)做法以前也許勉強(qiáng)可行，但在虛擬化環(huán)境中，二層網(wǎng)絡(luò)是虛擬機(jī)遷移的基礎(chǔ)。虛擬化的最大特點(diǎn)是可以將業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)部署到數(shù)據(jù)中心的任何計(jì)算資源上，如果這些計(jì)算資源(也就是服務(wù)器)被過(guò)多的三層網(wǎng)關(guān)隔離開(kāi)來(lái)，也就失去了虛擬化的優(yōu)勢(shì)。

　　同時(shí)，采用三層接入設(shè)備會(huì)產(chǎn)生大量的三層網(wǎng)關(guān)以及無(wú)數(shù)個(gè)讓網(wǎng)管人員抓狂的地址段。動(dòng)態(tài)路由協(xié)議的行為往往難以預(yù)測(cè)，在重要數(shù)據(jù)中心，為了保證網(wǎng)絡(luò)行為的可控性，每臺(tái)交換機(jī)的路由策略都要經(jīng)過(guò)仔細(xì)琢磨，這個(gè)工作量過(guò)于龐大;而如果采用靜態(tài)路由，一旦后期需要改動(dòng)某個(gè)地址段的范圍，可能需要改寫(xiě)一大段接入換機(jī)的路由表，更不用提相關(guān)訪問(wèn)控制策略的變動(dòng)。

　　至此，我們走進(jìn)了死胡同，虛擬化的應(yīng)用要求基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)在擴(kuò)展時(shí)保持一個(gè)完整的二層環(huán)境，而隨之而來(lái)的STP和地址空間問(wèn)題又成為繞不開(kāi)的坎，在接受二層環(huán)境的同時(shí)，我們基本上也就同一大堆時(shí)髦的字眼say byebye了，這些字眼包括但不僅限于“動(dòng)態(tài)擴(kuò)展”、“多路徑”、“快速收斂”、“層次化尋址”等等，仰望IP路由，二層網(wǎng)絡(luò)就好象一個(gè)生活在原始社會(huì)的苦行僧，忍受著種種的考驗(yàn)，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在支持虛擬化數(shù)據(jù)中心擴(kuò)張時(shí)已經(jīng)越來(lái)越吃力。

　　為了改變這種尷尬的局面，在燒掉大把銀子之后，Cisco的FabricPath終于閃亮登場(chǎng)了!

　　目標(biāo)

　　簡(jiǎn)單說(shuō)，F(xiàn)abricPath是Cisco Nexus交換機(jī)上的一項(xiàng)技術(shù)特性，其目標(biāo)是在保證二層環(huán)境的前提下，修復(fù)前文所說(shuō)的缺陷，這個(gè)技術(shù)需要做到以下幾點(diǎn)：

　　實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)間多條路徑同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)流量EMCP(Equal Cost Multi Pathing);

　　類(lèi)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(jiǎn)潔性

　　更準(zhǔn)確地說(shuō)，我們要擺脫傳統(tǒng)二層“交換”的弊端，在二層環(huán)境中實(shí)現(xiàn)類(lèi)似三層IP的“路由”行為。

　　二、FabricPath：從“交換”到“路由”

　　L2不給力的原因

　　我們知道FabricPath的目標(biāo)是為傳統(tǒng)二層環(huán)境設(shè)計(jì)一個(gè)增強(qiáng)型方案，以屏蔽原來(lái)的缺陷，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)幀的“路由”轉(zhuǎn)發(fā)。要明白FabricPath是怎么做到這點(diǎn)的，首先要看看layer 2這些不給力的毛病到底是怎么出來(lái)的?

　　傳統(tǒng)二層以太網(wǎng)環(huán)境中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)是非常簡(jiǎn)單的，一臺(tái)二層交換機(jī)一輩子干的活可以用以下幾句話概括：

　　1)收到數(shù)據(jù)幀–>2)查看目的地址–>3)查看MAC地址表–>4)將數(shù)據(jù)幀從對(duì)應(yīng)端口送出去

　　偶爾，當(dāng)這個(gè)流程進(jìn)行到第三步時(shí)，交換機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)目的地址不在自己的MAC地址表中，它會(huì)怎么做呢?這臺(tái)茫然的交換機(jī)就會(huì)將這個(gè)數(shù)據(jù)幀從所有的端口廣播出去!沒(méi)錯(cuò)，是整個(gè)幀從所有端口發(fā)送出去，希望其他交換機(jī)能知道正確目的地。且不說(shuō)，這個(gè)方式在今天看來(lái)是多沒(méi)有效率，當(dāng)設(shè)備之間存在環(huán)路時(shí)，這種幀會(huì)被無(wú)盡地轉(zhuǎn)發(fā)下去，最終形成廣播風(fēng)暴。

　　為了解決這個(gè)問(wèn)題，交換機(jī)廠商引入了STP。STP的機(jī)制也極其簡(jiǎn)單，就是通過(guò)阻斷二層端口來(lái)防止環(huán)路，并阻止數(shù)據(jù)幀從其接收到的端口再轉(zhuǎn)發(fā)出去。

　　廣播幀在任意節(jié)點(diǎn)只會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)一次，避免了被永遠(yuǎn)轉(zhuǎn)發(fā)下去。但如前所述，運(yùn)行STP的代價(jià)是非常昂貴的，接入設(shè)備只有一條上聯(lián)鏈路沒(méi)被block，而且，在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)連接中，控制STP的行為變得很困難，一旦出現(xiàn)震蕩，其收斂效率也非常低下。

　　另一方面，二層交換機(jī)通過(guò)學(xué)習(xí)接收到的數(shù)據(jù)幀的源地址建立MAC地址表，所有接收到的數(shù)據(jù)幀源地址都會(huì)被放進(jìn)MAC地址表中，導(dǎo)致一臺(tái)交換機(jī)可能學(xué)習(xí)到整個(gè)網(wǎng)段內(nèi)的所有二層地址，就算它大部分時(shí)間只跟其中的一小部分有聯(lián)系。

　　由此可見(jiàn)，今天的二層網(wǎng)絡(luò)過(guò)于簡(jiǎn)單，交換機(jī)只會(huì)學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)地址，不會(huì)基于學(xué)到的地址規(guī)劃出一套轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的最優(yōu)方案，它的問(wèn)題類(lèi)似于只有一個(gè)數(shù)據(jù)平面，沒(méi)有控制平面的概念，這就導(dǎo)致二層交換機(jī)不可能有效地進(jìn)行“路由”，從而引入了STP等一系列問(wèn)題。