华为交换机SVF

1设备虚拟化，让网络更简单前期的“闲话大二层网络”已经清晰地阐述了数据中心因为虚拟机（VM）的动态迁移而要求网络支持大范围的二层域，但传统网络STP的能力却不足以支撑大二层网络的需求。

图1-1 传统二三层网络简单理下脉络就是网络冗余备份的需求带来了环路问题，为了解决环路问题从而STP破环协议诞生了，但是STP本身在功能和性能方面的缺陷却导致二层大不起来。

（至于为什么STP不适应大二层网络的原因可以参考前期的“闲话大二层网络”，本文不做太多描述。

）1.2 化繁为简既然STP没法用，那只能从解决环路问题方面入手喽。

问题不得不再次回归到为什么会产生环路上来。

为了提高网络可靠性，通常设备和链路都是冗余备份的，而这样就不可避免的形成了环路。

如果是单设备和单链路组成的树型网络，是没有环路问题的，如图1-2，但是出于可靠性考虑很少有这么干的。

图1-2 树型网络及冗余环路网络那么有没有什么办法在设备、链路冗余的基础上又保持树型网络的结构呢?这样既能保证可靠性，又天然无环。

基于这样的设想，简单粗暴、直接有效的网络设备虚拟化技术出现了。

设备虚拟化技术就是将相互冗余的两台或多台物理设备组合在一起，虚拟化成一台逻辑设备，在整个网络中只呈现为一个节点，如图1-3。

（本文中的网络虚拟化技术特指多虚一的技术，另外也有一虚多的技术，比如华为的VS技术，可以把一台网络设备虚拟成多台网络设备使用，但是本文中不涉及这种虚拟化。

）图1-3 虚拟化前后的逻辑网络虚拟化后的设备之间相互冗余备份，单台物理设备故障时，其他设备可以接管控制，避免因单点故障导致业务中断。

设备虚拟化再配合链路聚合技术，就可以把原来的多节点、多链路的结构变成逻辑上单节点、单链路的结构，完美兼容高可靠性和无环。

1.3 技术的演进最早出现的设备虚拟化技术——堆叠，例如华为的CSS/iStack、Cisco的VSS和H3C的IRF等，可以将同一网络层次上的同类型或同型号交换机多虚一，如图1-4所示，又称为横向虚拟化。

横向虚拟化技术从低端盒式设备到高端框式设备都已经被广泛应用，具备了相当的成熟度和稳定度。

图1-4 横向虚拟化示意图相对于传统的xSTP+VRRP组网方案，堆叠+链路聚合网络具有一些明显的优势：●简化管理和配置堆叠建立后，多物理设备虚拟成为一台设备，用户可以通过任何一台成员设备登录堆叠系统，对所有成员设备进行统一的配置和管理，使网络需要管理的设备节点减少一半以上。

其次，组网变得简洁，不再需要配置xSTP、VRRP等协议，简化了网络配置。

●带宽利用率高采用链路聚合的方式，带宽利用率可以达到100％（STP会阻塞链路）。

●快速的故障收敛相对于STP秒级的故障收敛时间，链路聚合的故障收敛时间可控制在10ms内，大大降低了网络链路或节点故障对业务的影响。

●扩容方便、保护**随着业务的增加，当用户进行网络升级时，只需要增加新设备既可，在不需要更改网络配置的情况下，平滑扩容，很好的保护了**。

虽然横向虚拟化技术在一定程度上优化了网络结构、减少了管理节点，但是做的还不够彻底。

一方面是横向虚拟化后依然没有减少网络的层级；另一方面是依然没有彻底解决管理节点较多的问题。

大规模的数据中心都有高密度接入的特点，有大量的接入交换机，为了可靠性一般是多台接入交换机虚拟化（多是2台虚拟化），这样即使在做了横向虚拟化后管理节点的数量也是相当可观的。

假设接入层有40台接入交换机，每两台交换机做虚拟化，那么依旧还是有多达20个管理节点。

随着设备虚拟化技术的发展，一种更加极致的“纵向虚拟化”技术出现了——混堆，例如华为的SVF、Cisco的FEX、H3C的IRF3。

纵向虚拟化可以将不同网络层次、不同类型的交换机多虚一，如图1-5所示。

图1-5 纵向虚拟化示意图相比较横向虚拟化，纵向虚拟化具有更好的简化网络结构、简化管理等作用，可以将虚拟化进行的更彻底。

纵向虚拟化可以将汇聚层、接入层的交换机融合进一个更大的逻辑系统，只有一个管理、控制面。

管理员只需要管理一台逻辑交换机，不再有复杂的拓扑，以及大量重复的配置工作。

通过纵向整合，网络简化效果也非常明显，结构更加简明清晰。

这样的网络是不是更符合数据中心对大二层的需求？此外，纵向虚拟化还可以简化物理布线，降低网络成本。

图1-6 TOR和EOR布线示意图如图1-6所示，传统的数据中心TOR布线方案中，每个服务器机柜的上端部署1-2台接入交换机，服务器直接接入机柜内的交换机上，交换机上行端口通过光纤、铜缆接入到网络机柜中的汇聚交换机上。

TOR布线机架间布线简单，但是接入设备成本高，管理节点多。

采用EOR布线方案时，每排或每两排机柜的最边端/中间放2个网络机柜，其他服务器机柜里的服务器直接通过跳线连接至网络机柜中的交换机。

虽然减少了接入交换机成本，但是每个机架都需要布置大量的线缆至网络机柜，机架之间布线数量大。

建立SVF后，接入交换机采用TOR的方式就近服务器部署，作为控制节点的交换机集中部署，在布线及管理方面兼顾TOR及EOR/MOR的优点。

另外，相对于普通TOR交换机，SVF中接入交换机对性能的要求更低，使用低成本的交换机代替高成本的TOR交换机，进一步降低了网络部署成本。

1.4 不得不说的痛前文描述了那么多设备虚拟化技术给网络带来的优势，估计会给部分读者造成设备虚拟化技术简直堪称完美的错觉，其不仅釜底抽薪式的解决了环路问题，还兼诸多优点。

对此笔者只能轻叹一声，十来年的辩证思维教育告诉我们——完美的事物是不存在的。

设备虚拟化技术的确算是一把利器，但却不是无往不利的，它有着一定的局限性。

一方面是各自为战，设备虚拟化技术是各个厂家私有的，彼此之间不兼容，因此没办法使用不同厂家的设备来进行多虚一（甚至于同一厂家的不同设备之前也可能无法多虚一）。

对于存在多厂家设备的网络，该问题直接无解（至少目前是这样的，至于以后么，也不用想太多，且不说技术上是否可行，各厂商会愿意彼此分享是如何实现该技术的么）。

另一方面更重要的是虚拟化系统本身的规模限制。

虚拟化后所有设备的控制平面合一，只有一个主控节点，其它都是备份角色，控制平面是1:N备份的（1+1=2在这里不适用）。

因此，整个系统的物理节点规模就受限于主控节点的处理能力，不是想做多大就做多大的。

例如框式设备虚拟化一般<4台，盒式设备一般<20～30台。

目前最大规模的虚拟化系统大概可以支持接入1～2万台主机，可以从容应付一般的中、小型数据中心，但对于一些超大型的数据中心来说，就显得力不从心了。

这也就是为什么接下来会出现TRILL、VXLAN等大二层技术的原因了。

（试想下，如果虚拟化技术能够做到极致，支持无限或超多台设备虚拟化，那么只要把网络中所有设备都虚拟成一台逻辑设备，以上说的一切问题都将迎刃而解，也就没有TRILL、VXLAN啥事了。

关于TRILL、VXLAN等大二层技术后续会有详细的介绍，此处不做赘述。

）此外，设备虚拟化后控制面合一，系统被当做一台设备来管理，这还有可能会带来可靠性方面的隐患。

例如管理员不小心误操作了（比如整机重启），就有可能导致大范围网络故障，这样比误操作单一物理设备带来的影响更大（当然，这个是低概率事件，不是限制其发展的主要原因）。

1.5 小结数据中心大规模二层网络的需求目前已经非常的清晰，各厂商都提出了有针对性的技术和方案，满足大二层的当前要求和未来扩展需求。

网络设备虚拟化技术已经存在了很多年，虽然当初在出现的时候，并不是为了满足大二层的需求，但是却可以达到大二层网络的效果，所以虚拟化技术在数据中心中有着广泛的应用。

虽然设备虚拟化技术有着一定的不足，但从实际应用情况来看，由于其简单易用、成熟度高的优势，依然是中小规模数据中心的优选方案。

下文就对CloudEngine系列交换机支持的堆叠和SVF技术进行详细介绍。

2横向虚拟化——堆叠2.1 堆叠技术的分类堆叠技术一般是将同形态或同型号的多台交换机虚拟化成一台交换机。

物理上讲，交换机可以分为框式交换机和盒式交换机两种形态。

因此堆叠又可简单分为框式交换机堆叠（又称集群CSS）与盒式交换机堆叠（又称iStack），如图2-1所示。

图2-1 CSS和iStack示意图框式交换机堆叠多用于网络核心层或汇聚层，而盒式交换机堆叠一般用于汇聚层或接入层。

图2-2 框式交换机物理连线示意图主控板直连方式里，堆叠链路由两部分组成，一部分是通过主控板上的图2-3 盒式交换机物理连接示意图两种连接拓扑同样各有优劣，对比如下：2.3 堆叠里的角色划分多台交换机在堆叠后，表现为一台逻辑交换机，换个角度理解那就是“控制平面合一，统一管理”。

那么很明显，这些交换机彼此之间必须要分出个高下来，谁管谁得有个说法，不能有组织无纪律。

堆叠系统将交换机分成了主交换机、备交换机、从交换机三种角色，如图2-4所示，简单对号入座理解就是山寨里的一个“大当家”，一个“二当家”，再加一群“小弟”。

主交换机就是那个“大当家”，又称“堆叠主”或“系统主”，负责整个系统的控制和管理。

备交换机很明显就是那个“二当家”，又称“堆叠备”或“系统备”，它的一个重要职责就是随时准备替代“大当家”，在“大当家”出事后立即上位，管理那帮“小弟”。

除了一个“大当家”，一个“二当家”，其它的自然都是“小弟”。

图2-4 堆叠成员角色示意图框式交换机一个框内有两块主控板，一块是主用，一块是备用。

如图2-4所示，两台框式交换机堆叠后，在控制平面上，主交换机的主用主控板成为堆叠的系统主用主控板，作为整个系统的管理主角色；备交换机的主用主控板成为堆叠的系统备用主控板，作为系统的管理备角色；主交换机和备交换机的备用主控板作为堆叠的冷备用主控板，不具有管理角色，只作为冷备板。

图2-5 框式交换机堆叠后主控板角色2.4 堆叠的系统管理变成四维格式“堆叠成员编号/槽位号/子卡号/端口号”，如果堆叠成员ID为2，则该接口的编号将变为10GE2/1/0/1。

盒式交换机的接口编号采用“堆叠成员编号/子卡号/端口号”的形式（盒式交换机默认使能堆叠，因此其初始就带有堆叠成员编号）。

2.5 堆叠典型场景下面的几个堆叠场景以盒式交换机为例进行描述，框式交换机的场景与其类似（可以理解框式交换机为2台堆叠的特殊场景）。

图2-6 堆叠建立示意图堆叠建立是指所有成员交换机重新上电组建堆叠的场景，如图2-5所1.各成员交换机通过堆叠链路发送链路探测报文，并进行堆叠链路合法性检测。

2.各成员交换机之间相互发送堆叠竞争报文，并根据选举原则选举出主交换机。

选举规则如下（依次从第一条开始判断，直至找到最优的交换机才停止比较）：●运行状态比较，最先完成启动，并进入堆叠运行状态的交换机优先竞争为主交换机。

●堆叠优先级比较，堆叠优先级高的交换机优先竞争为主交换机。