TungstenFabric如何支撑大规模云平台|TF-创新互联
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今天的分享偏技术一些，首先我们来看SDN的本质，然后从Tungsten Fabric（以下简称TF）架构上解析为什么比OVS更好，为什么能支撑更大的场景。
先来看云对网络的要求。首先是租户隔离，IaaS就是多租户，对于地址重用的要求，以VLAN的传统方式也是可以实现的。另外，传统VXLAN的协议或OVS的协议，只提供二层隔离的能力，没有三层隔离的能力，只要你的机器绑到外网IP，或者绑到公共的路由层面上，三层是可以互通的，所以说在租户隔离的层面，也有三层隔离的需求。
其次，云需要网络支持虚拟机跨机柜的迁移。VXLAN的话还要跨数据中心大二层，不是说不可以实现，但除了网络要求，还有存储的要求，比较难。虚拟机跨机柜的迁移，最难的是什么？传统网络架构，就是接入-汇聚-核心，路由器以下都是二层架构，机器可以在不同机架上迁移，但一个数据中心，云足够大的时候，二层基础网络是支撑不了整个云的，不同机架在不同三层里面，这时虚拟机做迁移就要要求IP地址不能变。
另外，还有网络功能和服务的要求。在云上面都是共享的资源池，如果以负载均衡为例，将一个性能强大的硬件负载均衡虚拟化给多个租户使用，还是切换成小的负载均衡虚拟机实例给不同租户使用？这里就提出网络虚拟化和网络功能虚拟化的需求，来支撑IaaS的运行。
网络虚拟化，主要应用的是Overlay的技术，是SDN用到的其中一个技术，用的比较多、比较标准的技术，包括VXLAN、GRE、STT、GENEVE，以及TF用到的MPLSoverUDP和MPLSoverGRE，主要的方式，是把二层的帧在vTEP上进行三层封装，通过VXLAN隧道传输到对端。
这样做的好处是，增加了租户的数量，传统VLAN是4096，如果VXLAN就是2的4次方；其次底层传输基于IP网络，扩展性远大于二层网络，使得网络能扩展，虚拟机在不同物理网段上迁移。但同样也带来一些工作，如何让两边的设备建立通信？第一建立VXLAN隧道，这是SDN控制器要做的事，第二是交换两边的MAC地址信息。
有两个VM，在两个不同的主机上，就是通过Overlay来解决二层通信问题的。比如ESX1要和ESX2通信，ping的时候首先发ARP请求，那对应的MAC地址是多少？对于VXLAN来说就要有一张转发表，MAC2需要通过VTEP2的IP，去做一个封包，再传输到VTEP2，解封装后，再传输到相应的机器里去。怎么建立这个转发表？就是SDN需要去做的事情。
一种是自学习，只要VM1发了一个ARP请求，到达vTEP网关，它就会去洪泛请求，广播到和它建立隧道的vTEP节点上去，看谁反馈ARP reply，就知道对端的IP地址，可以建立一个转发表。但这样会有很多消耗，ARP地址也有老化的过程，一旦老化，就需要重新去学，直观体验是ping包时间会很长。如果是大规模的网络，频繁洪泛，会对网络可靠性带来很大的挑战。
SDN大部分情况下是和云管平台做结合，知道在这个虚拟化服务器上，有哪些虚拟机，提前把MAC地址表或转发表下发到vTEP设备上，这就是SDN控制平面要做的事情。
在Open vSwitch这个方案里面，就是通过数据库和RabbitMQ，去下发一个OVSDB的命令，建立相应的流表，让虚拟机知道要往哪儿走。TF也有相应的机制，后面会介绍。
数据平面的作用，就是根据转发表，对二层的帧进行转发，另外进行封包和解包。这里提一下MTU，这是这个二层的值，帧的transfer unit，为什么要设置很大？首先VXLAN协议会增加一些Hdr，UTP的Hdr，VXLAN的Hdr，封包的时候如果不做处理的话会超过1500，网卡会不发这个帧。早期做OpenStack经常会遇到trouble shooting的MTU问题，后来解决方案是通过DHCP的Agenter，设置了一个参数，如果网卡MTU是1500，就默认为14XX，自动降低，这样虚拟机的数据帧才能通过二层网卡。那么MTU的值设置多少合适呢？现在最佳实践是设置到9000。在vTEP这一块就是封包和转发，根据实际测试，如果增加MTU值，对吞吐量有很大的提高。
刚才说了SDN做的事情，控制下发转发表和传输，接下来说一下SDN的分类。按流派来区分，SDN可分为软件和硬件，区别就是vTEP是在vRouter上，还是在交换机的硬件转发上，看解封包在哪里。硬件一般都是私有协议，像Cisco用的就是OPFlex。软件也有很多不同的项目，其中TF是最产品化的一个。
按照控制器分类，有集中式和分布式。集中式的控制器有OpenFlow、OVSDB，以及TF使用XMPP（一个聊天的协议）。我们可以把Neutron的Open vSwitch理解为OVSDB协议，Neutron是通过RabbitMQ把信令下发到具体的计算节点，计算节点的OVS Agent通过OVSDB的命令，把相应的流表增加到OVSDB交换机。
分布式的控制器，比如EVP N-VXLAN，就是使用了MP-BGP。
大家觉得哪种形式的控制器会更好一点呢？目前用OpenDaylight的项目有哪些？华为，华三等都在用，其控制器的SDN架构就是参照OpenFlow来做的。有些厂商自己有研发能力，基于自身的硬件设备，可以开发一个比较完善的产品。但在开源社区，很少看到一个成功的OpenDaylight项目，只是提供了一个框架和一些组件，不能很快基于开源项目run起来。其实OpenFlow只是一个概念，从这几年SDN的发展来看，它并没有成为一个事实的标准。
反而是OVSDB起来了，应用在Neutron软件的控制，还有交换机的控制上。比如TF早期的BMS实现，虚拟机要和裸机通信，裸机通过VLAN TAG，上到TOR交换机，再通过VLAN到VXLAN的转换，到达虚拟网络。其中VLAN到VXLAN的转换，就是通过OVSDB协议下发的。你的交换机，理论上只要支持OVSDB协议，就可以做BMS场景。
我自己更倾向于这种分布式的控制器。因为集中式的永远会有瓶颈，无论是软件瓶颈，还是性能瓶颈。而EVP N-VXLAN的核心协议是MP-BGP，BGP的扩展性有多大？看看现在Internet骨干网，跑的就是BGP协议。
MP-BGP的协议，通过控制器下发流表信息，再通过BGP协议去交互，使用的时候只要针对你的相应架构，去做相应BGP协议的扩展性设计就可以。
针对TF来说，其实是集中式和分布式两种流派的融合，既用到集中式的架构，在对外的连接上，又采用了分布式控制器的技术。
总结大规模云平台对SDN的要求，第一是网络基础架构要可扩展。如果采用二层架构，瓶颈就是在基础架构上，受限于交换机的端口数，二层交换机采用生成树协议，对于大规模网络平台，如果运维水平较差，接出一个环路出来，就很危险。
第二，控制器是可扩展的。无论集中式还是分布式，在架构上一定是可扩展的，至于能支持多大的量，就是代码实现的问题了。
第三，数据平面无集中式单点。谈到SDN的实际应用，运维是一个比较大的挑战，无论是做开发还是做运维出身的人，最重要的是理解虚拟机之间，虚拟机到外网之间，数据流量是怎样的？应该通过什么命令去看这些流量，去trouble shooting，就像以前传统网络运维怎么去抓包一样。对于扩展性来说，要实现传统网络的SNAT、floating IP等，每个项目都有不同的实现方式，实现过程中没有单点的话，在架构上就是可以扩展的。
第四，跨集群的扩展网络。架构上无论怎样扩展，总是有极限的，对于一个单集群来说，总会到达一个瓶颈。如果要建一个更大的集群，可以横向扩展多个集群出来，形成一个大的资源池。那么面临的问题是，网络是否需要互通。如果部署一个高可用业务，跨集群的情况如何做互通，主流的一些高可用组件，需要跨两个集群二层互通，都需要SDN去支持这样的需求。
在基础架构上，如果用TF，只要是用于生产环境的话，选择IP CLOS架构就行，没必要再去折腾Fabric等二层架构。IP CLOS可以带来足够的扩展性和高性能，包括没有供应商锁定，建完以后基本不需要再动。
Leaf就是架顶式交换机，下面是子网，不同机架用不同子网，上层通过三层网关路由做通信，最主要的就是Leaf Spine之间三层怎么交互。瞻博网络有个文档介绍IP CLOS的白皮书，对OSPF、ISIS、BGP进行了控制平面上的对比，最佳建议是eBGP
来做交互。
TF的本质是基于MPLS V P N的SDN。原来的V P N是解决多个site之间的互联，控制平面是BGP协议。到了数据中心里面，云之间的互联，一个物理机可以看做一个site，不同物理机之间借助VP N建立不同的隧道来打通，这就是TF的本质。不同之处在于控制平面，TF用的是集中式的控制器并通过XMPP协议控制vRouter的路由表。
简单看一下TF的功能架构，在多云支持上，包括VMware、OpenStack容器、BMS；网络功能上，二层网络、三层网络、DHCP、DNS、QoS、防火墙、LB等都是支持的。
在部署的时候，控制器主要分为两种节点，一种是Analytics Cluster分析节点，主要做流的可视化。另外一种Controller节点用来控制网络，分为Configuration和Control Node，前者提供API，对接Neutron等云管平台，API通过创建一个pod，在Configuration上记录数据库，转换成相应的IF-MAP，控制器通过XMPP命令在vRouter上创建相应的接口，再把接口信息传给不同的vRouter或外部网关及硬件设备，控制器核心协议是BGP协议。
控制器在整个TF里就是一个router reflector，把所有的二层接口、MAC接口信息，三层路由信息全部存在这里，分发到不同的vRouter上面。对于云内的vRouter，用XMPP推送，对于云外的Gateway等，通过BGP或NETCONF推送。
其中，NETCONF协议不是用来推送路由信息的，主要用于和网络硬件设备的一些配置下发。比如TF中增加一个BMS服务器接入到TF管理的虚拟网络，TF中的Device Manager会通过NETCONF将VLAN接口的配置和下发到TOR交换机，通过NETCONF建立接口。然后TF控制器再通过OVSDB协议或EVP N-VXLAN协议去配置相应的VLAN-VXLAN的桥接网关。如果需要把虚拟网络扩展到Gateway，NETCONF也会帮助创建相应的Routing instance配置。路由层面的交换信息，还是通过BGP来实现。
TF用到的数据库，都是最近8年才有的，比如分布式数据库的Cassandra、Zoo Keeper、RabbitMQ，在架构上是高可用、可扩展的，具体能扩展到多大的量，还是要看代码实现。反过来看Neutron，本质就是一个数据库，记录了所有的信息，把所有的流表下发下去。
TF的数据平面主要是通过vRouter来做转发，vRouter agent在user namespace的进程，安排控制器基于XMPP连接拿到一些信息，再下发到kernel的转发平面。这里提供了二层隔离和三层隔离的功能，如果说同一个网络的虚拟机，接在同一个vRouter下面，双方的通信就在这里完成。不同租户的网络虚拟机，接了不同的VRF、Routing instance，也是不能通信的。
vRouter内置了很多网络功能，比如DNS。TF的DNS会根据主机的DNS配置来解析，如果遇到问题，可以检查一下主机的DNS有没有问题。DHCP应答也在这里，Neutron就不一样，专门有一个DHCP agent跑在一个节点上，OVS在大规模情况下，如果接了超过1500个接口，基本上就会出现丢包，并且经常出问题。
Security Group在OVS的实现是通过和linux bridge关联的iptables实现的，而在vRouter就是通过内置的ACL功能实现。Network Policy就是一个分布式的防火墙。Floating IP也是在vRouter做了一个NAT出去。
这里多谈一下Link-Local，它的场景是什么？作为一个云服务商，要向客户提供NTP服务、ATP、YUM源、等公共服务。怎么让虚拟机在虚拟网络内访问到一个公共服务呢？一种方式是把这些网络的路由打通，因为需要一个VTEP出口，通过cloud gateway把公共路由导进去，这样带来一个问题，所有ATP流量、下载流量都要通过cloud gateway，流量会跟大。TF提供一个Link-Local的模式，就是一个169.254的地址，在网络标准里只有一跳。在OpenStack虚拟机或AWS虚拟机里面，metadata服务就是通过169.254提供的。本机没有这个路由，到网关上对地址做一层NAT，本机的NAT就会访问到配置的Link-Local映射，继而访问到内部的服务。
在没有增强的前提下，实测Neutron的OVS VXLAN的性能（只做MTU的优化），最多达到两个千兆的性能。而vRouter在不做任何优化的前提下，能达到七、八千兆的性能。当然也可以利用DPDK、Smart NIC来做优化，或者利用SR-IOV的透传功能。
再来看看TF的Packet交互。无论是同网段还是不同网段，虚拟机之间的交互，都是在vRouter层面转发的，不会经过一个集中式的gateway。所以在虚拟机之间的数据交互层面，是没有单点的。
另外一个比较重要的场景是SNAT。在OpenStack里面，如果虚拟机接了一个vRouter，可以通过vRouter的SNAT功能去访问external的网段。TF本身其实不提供SNAT，但也实现了SNAT功能，通过NS router（跑在计算节点的一个IP tables）做一个SNAT的转发，如果虚拟机要访问一个非本网关的网络，先到gateway，转发后，再通过vRouter连接external的网络。这里NS router的创建，需要OpenStack nova的scheduler来配合。
对于每一个网络，都会有一个router去做转发，如果量太大，瓶颈可能就在NS router这里，但不会影响其它的网络。
只要不在云内，都可以叫外网，要出外网有两种方式：第一种是Floating IP，在vRouter做了一个NAT，把NAT后的IP通过MPLS over GRE的隧道，发布到Cloud Gateway的某个VRF里面，和外网通信。
第二种外部互联的场景，假如要提供一个云服务，可以针对不同的运营商做不同的flouting IP，如果做L3 VP N或L2 VP N的专线接入服务，可以通过cloud gateway接入到不同的MPLS网络，再把虚拟网络路由到相应的VRF，整个就都连通了。这也是TF强大的地方，MPLS VP N是和传统的网络天然互联互通的。
跨集群的互联，或者叫多云互联，主要有两种模式。
第一种是基于控制器之间的互联，把VP N、网络和接口的信息，通过控制器之间建立EBGP连接来传输，这种方案叫Federation。
两边的vRouter只要三层可达就可以，比如一边的B1要访问另一边的B3，两边是不同的控制器和VP N，MPLS VP N有个route target，一边export一边import，路由表看到另一边的路由，进行路由信息交互，从而建立二层或者三层连接。Federation的方案是在控制器层面实现的，比较适合于同一个地域，同一个数据中心，有比较近的连接的情况。
第二种模式是通过cloud gateway之间的互联，把网络的不同VRF，在cloud gateway之间建立EBGP邻居，手动配置去import或export不同的RT，实现跨云的连接。需要注意的是，两边是不同的集群，IP地址管理不一样的，分配地址的时候，要避免IP地址的重叠。
最后，和Neutron OVS进行对标的话，TF可以说是完胜的。
基础网络方面，TF可以扩展，Neutron OVS目前只能用二层网络，无论集中式还是分布式，floating IP下沉到计算节点这一层，目前的组件里都没有成熟的BGP方案，能够把floating IP发布到边界网关，OVS DVR和边界网关只能通过二层连接。
对比架构方面，TF是可扩展的，3个节点性能不够，可以扩展到5个节点。Neutron OVS虽然是一个高可用架构，通过MySQL集群实现数据库高可用，通过K8s实现API高可用，但计算逻辑不是分布式的，严重依赖RabbitMQ。如果使用DVR模式，每个计算节点要部署四个agent，带来更多的topic，对RabbitMQ的性能是很大的挑战，只要出现一个RabbitMQ宕机或网络抖动，会马上执行集群恢复机制，导致RabbitMQ很快死掉。
另外，在转发平面上，Open vSwitch的性能没有vRouter好；TF的网络功能更丰富，而Neutron的Octavia等原生LBaaS组件也有待成熟；多云互联方面TF基于MPLS VP N；和网络设备的交互方面，Neutron只有ironic的networking generic switc driver，TF支持BGP、NETCONF、EVP N-VXLAN等，基于标准的协议，涵盖了瞻博网络、思科、华为、锐捷等厂商的设备。
今天就先分享到这里。谢谢大家！
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文章题目：TungstenFabric如何支撑大规模云平台|TF-创新互联
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