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vSwitch：虛擬和物理網(wǎng)絡(luò )的紐帶
云計算意味著(zhù)可以更便捷的使用計算、網(wǎng)絡(luò )、存儲資源，每一個(gè)元素都可根據用戶(hù)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，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(wú)可撼動(dòng)。
SDN是數通行業(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A(yíng)TM與IP之爭，SDN從一開(kāi)始就不打算作現有網(wǎng)絡(luò )的顛覆者，而是在現有網(wǎng)絡(luò )基礎上，提供極致的面向應用的控制方式，虛擬交換機在這輪變革中充當了急先鋒，作為第一個(gè)Openflow交換機，Openvswitch已經(jīng)廣為業(yè)界所熟悉并采用。
同時(shí)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)器內高效地轉發(fā)，還可將統一的控制策略和安全策略無(wú)縫地從物理網(wǎng)絡(luò )過(guò)度到虛擬網(wǎng)絡(luò )。
虛擬交換機的問(wèn)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(dòng)，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(jiǎn)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內部，VM之間的流量、VM到物理網(wǎng)絡(luò )之間的流量均通過(guò)vSwitch轉發(fā)，vSwitch 的轉發(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(jìn)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(shuō)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(kāi)放性、安全性、多平臺、適應性方面下一番功夫。
怎樣才算是開(kāi)放的虛擬交換機?提供開(kāi)放的API控制接口，控制器與虛擬交換機之間的會(huì )話(huà)基于開(kāi)放的標準，承載網(wǎng)絡(luò )的封裝基于開(kāi)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(kāi)放的標志，但還不僅于此，能夠在開(kāi)放技術(shù)基礎上進(jìn)一步發(fā)展、交付豐富的特性，并與開(kāi)源云平臺系統、第三方云平臺系統和第三方SDN網(wǎng)絡(luò )深度融合，而又不失上述開(kāi)放性，也許才是更有價(jià)值的開(kāi)放，這樣的虛擬交換機帶給客戶(hù)的將不僅是透明的技術(shù)方案，還有抓住未來(lái)發(fā)展趨勢的可能。
如何提高虛擬交換機的轉發(fā)性能?從石頭中擠水是從實(shí)現級別進(jìn)行優(yōu)化的形象比喻。 對網(wǎng)絡(luò )和SDN內涵的深入理解，可以幫助我們從局部?jì)?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(kāi)繞行網(wǎng)關(guān)，高效、安全的轉發(fā)。
圖2 DVR原理示意
如圖2所示紅色VM屬于同租戶(hù)的不同虛機，并且分屬不同網(wǎng)段，按照某些系統的設計，跨主機的VM通信必須經(jīng)過(guò)L3 Gateway做集中的三層轉發(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(wú)需繞行L3 Gataway，直接在服務(wù)器內部或通過(guò)二層交換機即可實(shí)現跨三層轉發(fā)，較繞行L3 Gateway性能提高，同租戶(hù)內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。
系統級的性能提升技術(shù)也是從根本上解決問(wèn)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(shí)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(jiàn)一斑，各廠(chǎng)商都在積極研究，并以可靠可用的方式逐步落地為工業(yè)級數通產(chǎn)品。
DPDK的技術(shù)思路有別于傳統的數據平面，他試圖拋棄已有系統的負擔，通過(guò)無(wú)鎖化、去掉中斷干擾、高效使用內存、充分利用多核CPU并行等手段創(chuàng )造一個(gè)全新的數據平面運行環(huán)境，在這個(gè)全新的環(huán)境中，超高效的轉發(fā)成為可能，已知的業(yè)界數據表明可以在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(chǎng)景還存在一定限制，但是必將成為未來(lái)提高基于軟件轉發(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(shí)現對租戶(hù)內、租戶(hù)間網(wǎng)絡(luò )的底層隔離，同時(shí)支持多種安全策略，基于A(yíng)CL的包過(guò)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(lái)源，將安全的管理和處理真正延伸的到服務(wù)器。
圖3 vSwitch內嵌防火墻
當VM2向VM1發(fā)起訪(fǎng)問(wèn)時(shí)，控制器根據訪(fǎng)問(wèn)策略感知訪(fǎng)問(wèn)是否受限，若策略允許轉發(fā)，則在兩個(gè)服務(wù)器上同時(shí)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提高整體轉發(fā)性能，規避集中式防火墻可能成為性能瓶頸和可能的單點(diǎn)故障，更在于第一時(shí)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(lái)vSwitch的業(yè)務(wù)能力在多個(gè)維度增強的現實(shí)依據，值得包括用戶(hù)和廠(chǎng)商在內的生態(tài)系統各方展開(kāi)想象，充分研究和利用。
如果說(shuō)DFW解決了虛擬網(wǎng)絡(luò )側的安全性能和第一時(shí)間安全處理問(wèn)題，那么vSwitch結合豐富的服務(wù)鏈(Service Chain)，則是為整個(gè)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(guò)對vLB、vFW等類(lèi)型服務(wù)節點(diǎn)的編排和組合，可以在流量的轉發(fā)路徑中根據控制其的統一策略完成一些列預定的安全、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備，需要首先對報文進(jìn)行標識，這樣，所經(jīng)過(guò)服務(wù)鏈節點(diǎn)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(lèi)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(kāi)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(chǎng)合，往往讓用戶(hù)的管理方式、運維方式難以統一，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一管理也是未來(lái)云環(huán)境中網(wǎng)絡(luò )發(fā)展的重要課題。
適應性方面，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中或第三方云系統中，僅通過(guò)VSM(Virtual Supervisor Module)響應少量的關(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，虛擬交換機側重于對控制器的響應，“輕”控制方式下，則側重于自身的功能和靈活性，和與第三方系統的融合程度，表面上看更“輕”了，其實(shí)要求更“重”了，這種適應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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