vSwitch：虛擬和物理網(wǎng)絡(luò)的紐帶
云計算意味著可以更便捷的使用計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲資源，每一個元素都可根據(jù)用戶業(yè)務(wù)靈活組合配置，其中網(wǎng)絡(luò)環(huán)境直接關(guān)系到云中的信息流通，如何構(gòu)建控制、可靠、效率俱佳的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，是云計算在IaaS層面必須面對的挑戰(zhàn)，而虛擬交換機作為IaaS體系中連接虛擬網(wǎng)絡(luò)、物理網(wǎng)絡(luò)的橋梁的地位已經(jīng)無可撼動。
SDN是數(shù)通行業(yè)大約每十年一次變革的最新版本，不同于以往的ISO與TCP/IP之爭，也不同于ATM與IP之爭，SDN從一開始就不打算作現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的顛覆者，而是在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，提供極致的面向應(yīng)用的控制方式，虛擬交換機在這輪變革中充當(dāng)了急先鋒，作為第一個Openflow交換機，Openvswitch已經(jīng)廣為業(yè)界所熟悉并采用。
同時在兩波浪潮中扮演重要角色，虛擬交換機地位不言而喻，他將可控的網(wǎng)絡(luò)邊緣延伸到服務(wù)器中，除了在服務(wù)器內(nèi)高效地轉(zhuǎn)發(fā)，還可將統(tǒng)一的控制策略和安全策略無縫地從物理網(wǎng)絡(luò)過度到虛擬網(wǎng)絡(luò)。
虛擬交換機的問題和對策
虛擬化服務(wù)器中，如何將虛擬機的流量以更優(yōu)的方式接入到物理網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)歷了一系列技術(shù)變動，包括VNTag(802.1Qbh)、VEPA(802.1Qbg)，做法不一而同，但到目前為止，使用虛擬交換機作為支撐服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)的基石已經(jīng)基本成為共識，因為更方便部署、對物理網(wǎng)絡(luò)要求更低、擴展和控制更簡便。
圖1 虛擬交換機運行環(huán)境
如圖1所示虛擬交換機運行在虛擬服務(wù)器Hypervisor內(nèi)部，VM之間的流量、VM到物理網(wǎng)絡(luò)之間的流量均通過vSwitch轉(zhuǎn)發(fā)，vSwitch 的轉(zhuǎn)發(fā)行為完全由SDN Controller控制。
基于虛擬交換機的主機Overlay方案更易于虛擬網(wǎng)絡(luò)的管理，進一步減少了對Overlay物理承載網(wǎng)絡(luò)的額外要求，使虛擬網(wǎng)絡(luò)最大限度擺脫了物理網(wǎng)絡(luò)的限制，可以說主機Overlay是對虛擬交換機地位的強化。
為了交付高品質(zhì)的虛擬交換機產(chǎn)品，需要在性能、開放性、安全性、多平臺、適應(yīng)性方面下一番功夫。
怎樣才算是開放的虛擬交換機?提供開放的.API控制接口，控制器與虛擬交換機之間的會話基于開放的標準，承載網(wǎng)絡(luò)的封裝基于開放的協(xié)議，比如Openstack網(wǎng)絡(luò)組件兼容的REST API，Openflow控制協(xié)議，VxLAN/VLAN封裝，這些關(guān)鍵技術(shù)都是開放的標志，但還不僅于此，能夠在開放技術(shù)基礎(chǔ)上進一步發(fā)展、交付豐富的特性，并與開源云平臺系統(tǒng)、第三方云平臺系統(tǒng)和第三方SDN網(wǎng)絡(luò)深度融合，而又不失上述開放性，也許才是更有價值的開放，這樣的虛擬交換機帶給客戶的將不僅是透明的技術(shù)方案，還有抓住未來發(fā)展趨勢的可能。
如何提高虛擬交換機的轉(zhuǎn)發(fā)性能?從石頭中擠水是從實現(xiàn)級別進行優(yōu)化的形象比喻。 對網(wǎng)絡(luò)和SDN內(nèi)涵的深入理解，可以幫助我們從局部優(yōu)化的深井中爬出，看到DVR技術(shù)、DFW技術(shù)如何促成虛擬機間的流量如何避開繞行網(wǎng)關(guān)，高效、安全的轉(zhuǎn)發(fā)。
圖2 DVR原理示意
如圖2所示紅色VM屬于同租戶的不同虛機，并且分屬不同網(wǎng)段，按照某些系統(tǒng)的設(shè)計，跨主機的VM通信必須經(jīng)過L3 Gateway做集中的三層轉(zhuǎn)發(fā)，DVR(Distribute Vritual Routing，分布式虛擬路由)技術(shù)是指在控制器控制下，這些VM之間的流量無需繞行L3 Gataway，直接在服務(wù)器內(nèi)部或通過二層交換機即可實現(xiàn)跨三層轉(zhuǎn)發(fā)，較繞行L3 Gateway性能提高，同租戶內(nèi)虛機從邏輯上好像擁有了一臺邏輯上存在的路由器，也就是DVR所代表的含義。
系統(tǒng)級的性能提升技術(shù)也是從根本上解決問題的手段之一，比如基于服務(wù)器主流的硬件X86平臺的性能提升技術(shù)Intel DPDK(Data Plane Development Kit)，甚至連基于DPDK的實驗性質(zhì)的OVDK(Openvswitch的DPDK版本)項目也備受關(guān)注，業(yè)界的期待程度可見一斑，各廠商都在積極研究，并以可靠可用的方式逐步落地為工業(yè)級數(shù)通產(chǎn)品。
DPDK的技術(shù)思路有別于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)平面，他試圖拋棄已有系統(tǒng)的負擔(dān)，通過無鎖化、去掉中斷干擾、高效使用內(nèi)存、充分利用多核CPU并行等手段創(chuàng)造一個全新的數(shù)據(jù)平面運行環(huán)境，在這個全新的環(huán)境中，超高效的轉(zhuǎn)發(fā)成為可能，已知的業(yè)界數(shù)據(jù)表明可以在Intel CPU和網(wǎng)卡上得到十Gbps、甚至百Gbps的吞吐量性能，雖然DPDK在某些場景還存在一定限制，但是必將成為未來提高基于軟件轉(zhuǎn)發(fā)的虛擬交換機性能的方向之一。
安全性方面，支持主流的VLAN、VxLAN網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，實現(xiàn)對租戶內(nèi)、租戶間網(wǎng)絡(luò)的底層隔離，同時支持多種安全策略，基于ACL的包過濾防火墻和分布式狀態(tài)防火墻，這些技術(shù)將服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)的安全控制粒度和處理性能提升高到了新的高度，核心技術(shù)思路是控制和處理貼近流量來源，將安全的管理和處理真正延伸的到服務(wù)器。
圖3 vSwitch內(nèi)嵌防火墻
當(dāng)VM2向VM1發(fā)起訪問時，控制器根據(jù)訪問策略感知訪問是否受限，若策略允許轉(zhuǎn)發(fā)，則在兩個服務(wù)器上同時下發(fā)正向和反向流表，確保雙向流量暢通。
相對于將所有VM間流量引入集中式的防火墻統(tǒng)一處理，分布式防火墻在安全策略處理位置上都更加貼近流量的源頭或目標，所以他的優(yōu)勢不僅在于利用分布式的vSwitch提高整體轉(zhuǎn)發(fā)性能，規(guī)避集中式防火墻可能成為性能瓶頸和可能的單點故障，更在于第一時間將非法流量從網(wǎng)絡(luò)中清除，不讓它影響網(wǎng)絡(luò)的，這也是未來vSwitch的業(yè)務(wù)能力在多個維度增強的現(xiàn)實依據(jù)，值得包括用戶和廠商在內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)各方展開想象，充分研究和利用。
如果說DFW解決了虛擬網(wǎng)絡(luò)側(cè)的安全性能和第一時間安全處理問題，那么vSwitch結(jié)合豐富的服務(wù)鏈(Service Chain)，則是為整個云網(wǎng)絡(luò)提供了終極的安全、業(yè)務(wù)綜合能力：
圖4 vSwitch與服務(wù)鏈綜合組網(wǎng)
通過對vLB、vFW等類型服務(wù)節(jié)點的編排和組合，可以在流量的轉(zhuǎn)發(fā)路徑中根據(jù)控制其的統(tǒng)一策略完成一些列預(yù)定的安全、業(yè)務(wù)處理，達到整體網(wǎng)絡(luò)安全性的目標，流量的方向包括虛擬機之間、虛擬機到外部網(wǎng)絡(luò)，而虛擬交換機作為虛擬機流量的接入設(shè)備，需要首先對報文進行標識，這樣，所經(jīng)過服務(wù)鏈節(jié)點才得以了解所需處理的業(yè)務(wù)。
多虛擬化平臺方面，目前可商用的雖然種類繁多，但是主流不外乎VMware vSphere、H3C VCK(CAS)、KVM和XEN等一系列基于Linux的Hypervisor，每種虛擬化平臺均可看到成熟的虛擬交換機產(chǎn)品，比如VMware vSphere平臺上既可以運行VMware自有的NSX，也可以運行Cisco的F1000V，而KVM、XEN上則是開源的Openvswitch，控制和運行機制也有所不同，在一些需要互操作、兼容性的場合，往往讓用戶的管理方式、運維方式難以統(tǒng)一，造成一定的困擾，如何將適用于多種虛擬化平臺的虛擬交換機統(tǒng)一管理也是未來云環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要課題。
適應(yīng)性方面，可以把虛擬交換機的運行環(huán)境按照控制方式的“輕”、“重”分為兩種，一種是在高度智能、可靠的SDN控制器控制下的“重”控制網(wǎng)絡(luò);一種是在云計算系統(tǒng)中或第三方云系統(tǒng)中，僅通過VSM(Virtual Supervisor Module)響應(yīng)少量的關(guān)鍵事件即可完成對虛擬交換機的信息下發(fā)的“輕”控制網(wǎng)絡(luò)。“重”控制方式下，虛擬交換機側(cè)重于對控制器的響應(yīng)，“輕”控制方式下，則側(cè)重于自身的功能和靈活性，和與第三方系統(tǒng)的融合程度，表面上看更“輕”了，其實要求更“重”了，這種適應(yīng)性往往也是衡量虛擬交換機是否具有彈性和擴展性的重要標志。
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