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1、大二层网络演绎（1）数据中心为什么需要大二层网络？在开始之前，首先要明确一点，大二层网络基本上都是针对数据中心场景的，因为它实际上就是为了解决数据中心的服务器虚拟化之后的虚拟机动态迁移这一特定需求而出现的。对于普通的园区网之类网络而言，大二层网络并没有特殊的价值和意义（除了某些特殊场景，例如WIFI漫游等等）。所以，我们现在所说的大二层网络，一般都是指数据中心的大二层网络。1传统数据中心网络架构传统的数据中心网络通常都是二层+三层网络架构，如下图所示。我们看到，这种网络架构其实和园区网等网络的架构是一样的，这种架构相当于零售行业的“加盟店”形式，而与之相对应的“三层到边缘”架构，以及我们下面要
2、谈到的“大二层”架构，就相当于“直营店”了。之所以采用这种网络架构，是因为这种架构非常成熟，相关的二三层网络技术（二层VLAN+xSTP、三层路由）都是成熟的技术，可以很容易的进行部署，也符合数据中心分区分模块的业务特点。但是这种网络架构对于数据中心来说，其实是隐藏着一个弱点的，是什么呢？且容我卖个关子，后面再讲。2服务器虚拟化趋势由于传统的数据中心服务器利用率太低，平均只有10%15%，浪费了大量的电力能源和机房资源。所以出现了服务器虚拟化技术。服务器虚拟化技术是把一台物理服务器虚拟化成多台逻辑服务器，这种逻辑服务器被称为虚拟机（VM），每个VM都可以独立运行，有自己的OS、APP，当前也有
3、自己独立的MAC地址和IP地址，它们通过服务器内部的虚拟交换机（vSwitch）与外部实体网络连接。通过服务器虚拟化，可以有效地提高服务器的利用率，降低能源消耗，降低客户的运维成本，所以虚拟化技术目前得到了广泛的应用。（至于为啥有这些好处，我就懒得去说了，有兴趣的话可以自己问一下度娘，总之服务器虚拟化就是个好东东啦）PS：VMware是服务器虚拟化领域的市场领先产品和创新品牌，提供一整套VM解决方案的软件。除了VMware之外，业界还有微软Hyper-V和Xen等服务器虚拟化软件。3虚拟机动态迁移喝口水，我们继续回到数据中心网络上来。本来，服务器虚拟化对于数据中心网络来说，也没啥特别大的影响，
4、无非就是接入的主机规模变大一些而已（原来一台物理服务器算一个主机，现在每个VM算一个主机），还是可以用二三层网络架构来连接的，规模变大了，多划分一些二层域就行。但是服务器虚拟化之后，带来了一项伴生的技术，那就是虚拟机动态迁移，这就给传统的数据中心网络带来了很大的麻烦。当然在讲麻烦之前，我们先得搞清楚虚拟机动态迁移是怎么回事。所谓虚拟机动态迁移，就是在保证虚拟机上服务正常运行的同时，将一个虚拟机系统从一个物理服务器移动到另一个物理服务器的过程。该过程对于最终用户来说是无感知的，从而使得管理员能够在不影响用户正常使用的情况下，灵活调配服务器资源，或者对物理服务器进行维修和升级。说白了，动态迁移就是
5、让虚拟机搬家，但是要求搬家的时候，虚拟机上运行的业务还不会中断，外面的用户察觉不到。搞清楚虚拟机动态迁移是怎么回事之后，我们来看到底这个技术给网络带来了什么麻烦。4虚拟机动态迁移对网络的影响还记得我前面卖得关子不？我说对于数据中心来说，二三层网络架构是有一个弱点的，那是什么弱点呢？这个弱点就是服务器的位置不能随便在不同二层域之间移动。因为一旦服务器迁移到其他二层域，就需要变更IP地址，TCP连接等运行状态也会中断，那么原来这台服务器所承载的业务就会中断，而且牵一发动全身，其他相关的服务器（比如WEB-APP-DB服务器之间都是相互关联的）也要变更相应的配置，影响巨大。（这和园区网不一样，园区网
6、里面接入的办公PC等，换一个办公区，换一个二层域，重新获取一下IP地址，对于业务来说，几乎没什么影响）。幸好在传统的数据中心中，物理服务器位置的跨二层域迁移的场景是非常少见的，而且即使发生迁移，也都是物理层面的，业务肯定都已经中断了，更换IP地址所以这个隐患并不明显。但是在服务器虚拟化之后，虚拟机的动态迁移会成为一种经常出现的场景。为了保证迁移时业务不中断，就要求在迁移时，不仅虚拟机的IP地址不变，而且虚拟机的运行状态也必须保持原状（例如TCP会话状态），所以虚拟机的动态迁移只能在同一个二层域中进行，而不能跨二层域迁移。而传统的二三层网络架构限制了虚拟机的动态迁移只能在一个较小的局部范围内进行
7、，应用受到了极大的限制。为什么这么说？我再卖个关子，到下一章再详细说。所以，为了打破这种限制，实现虚拟机的大范围甚至跨地域的动态迁移，就要求把VM迁移可能涉及的所有服务器都纳入同一个二层网络域，这样才能实现VM的大范围无障碍迁移。就好比你原来住在南京，现在迁移到苏州了，原来各城市的社保系统是独立的（小二层网络），所以你要办理社保关系迁移（IP地址变更），办过的人都知道这有多痛苦。而据说从2015年开始整个江苏省的社保系统现在纳入统一管理了（大二层网络），那么从南京迁移到苏州，人过去就行了，社保关系不需要任何变更（IP地址不变，业务不中断）。这就是大二层网络！一个真正意义的大二层网络至少要能容纳
8、1万以上的主机，才能叫做大二层网络。（2）传统的二层网络为啥大不起来？VM动态迁移只是要求把所有服务器都纳入同一个二层网络，那问题来了：原来的网络架构为什么就不能把所有服务器都纳入同一个二层网络？传统的VLAN+xSTP二层技术不能把所有服务器都划到同一个二层域吗？这也就是我前面卖的关子，为什么说传统网络架构限制了虚拟机的动态迁移只能在一个较小的局部范围内进行？为什么传统的二层网络大不起来？要说清楚这一点，我们首先需要弄清楚二层网络面临的主要问题是什么，而传统二层网络采用的主要解决方案有哪些？1二层网络的核心问题其实说起来也简单，二层网络的核心问题就是环路问题以及由此产生的广播风暴问题。1.1
9、环路的由来如果是一个单设备和单链路组成的树型二层网络，如下图所示，它是没有任何环路和因环路引起的广播风暴问题的（其他成因的广播风暴，例如蠕虫病毒等造成的，不在讨论之列）。但是这种网络的可靠性是非常差的，因为它没有任何的备份设备和备份链路，一旦某个设备或者链路发生故障，那么故障点下的所有主机就连不上网络了。所以，为了提高网络可靠性，通常会采用冗余设备和冗余链路，这样就不可避免的形成环路。如下图所示。红色链路构成一个环路，蓝色链路也构成一个环路，事实上，在相对复杂的二层网络中，物理上的环路几乎无处不在。而二层网络处于同一个广播域下，广播报文在环路中会反复持续传送，而且二层报文转发又没有TTL机制，
10、无限循环之下，就会形成广播风暴，瞬间即可导致端口阻塞和设备瘫痪。1.2环路的解决之道为了解决广播风暴问题，二层网络中所采取的技术主要有两方面：1.2.1通过划分VLAN来缩小广播域的规模VLAN技术可以把一个大的物理二层域划分成许多小的逻辑二层域，这种逻辑二层域被称为VLAN。同一个VLAN内可以进行二层通信，不同VLAN之间是二层隔离的，这样广播的范围就被局限在一个VLAN内，不会扩散到整个物理二层域。VLAN虽然可以一定程度上降低广播风暴的范围和强度，但还是无法避免在VLAN内形成广播风暴（只要同一个VLAN内还有环路），所以只是一种治标不治本的策略。（当然，这种说法仅针对广播风暴这一点而
11、言，而VLAN技术还有其他很多方面的重要作用，比如简化管理、提高安全性等等，但本文不讨论这些方面）。1.2.2通过破环协议来防止环路的产生另外一种治本的方法则是从广播风暴形成的根本原因入手。既然广播风暴是因为出现了环路才导致的，那么通过一定的手段，防止环路出现不就避免了广播风暴了吗？防止环路出现，但是又要保证网络的可靠性，就只能将冗余设备和冗余链路变成备份设备和备份链路。即冗余的设备端口和链路在正常情况下被阻塞掉，不参与数据报文的转发。只有当前转发的设备、端口、链路出现故障，导致网络不通的时候，冗余的设备端口和链路才会被打开，使得网络能够恢复正常。实现这些自动控制功能的协议就被称为破环协议，其
12、中最常用的就是STP（Spanning Tree Protocol，生成树协议）以及升级版的RSTP和MSTP等，我们统称为xSTP协议。当然，也有其他一些破环协议，比如SEP、RRPP等等，其本质思想和xSTP协议是一致的。2传统的二层技术为啥不能支持大二层上面提到了，传统二层网络最主要的技术就是VLAN和xSTP。那么这两者对于大二层的网络需求究竟存在什么问题？2.1VLAN的问题首先来看VLAN。前面说了，VLAN的核心思想之一，就是通过划分VLAN来缩小二层域的范围和规模，来控制广播风暴的规模。而对于大二层网络的需求而言，又要求把所有服务器都纳入同一个二层域，那如果把所有服务器都纳入到
13、同一个VLAN当中，如果没有其他隔离手段，那不就相当于又把广播域扩得大大的？这和划分VLAN的初衷是背道而驰的。所以VLAN技术天然就不能很好的支持大二层网络。2.2xSTP的问题再来看xSTP，xSTP倒是可以解决大二层网络可能出现的环路问题，但是问题在于xSTP技术本身。由于xSTP的收敛性能等原因（如果xSTP的节点过多，那么整网的收敛速度会呈指数级下降），所以一般情况下xSTP的网络规模不会超过100台交换机。同时由于xSTP需要阻塞掉冗余设备和链路，也降低了网络资源的带宽利用率。因此在实际网络规划时，从转发性能、利用率、可靠性等方面考虑，会尽可能控制xSTP网络范围。（对于其他一些破
14、环协议，虽然可能相比xSTP协议来说，在某些功能/性能方面有改进，但是总体上依然解决不了总规模不大的问题）。所以xSTP协议也无法很好的支撑大二层网络的需求。3总结最后给个总结式的数据，基于VLAN+xSTP技术的二层网络，由于前文所提的制约条件，可能容纳的主机数量，通常都不会超过1K。（具体为啥是这样一个数据，有兴趣深究的同学可以自己推算一下，也可以跟笔者联系）。这与前一篇中所说的，真正意义上的大二层网络至少能容纳一万以上的主机的要求相去甚远，所以说传统的二层网络不能很好支持大二层网络。它，大不起来！（3）如何实现真正意义上的大二层网络？这一篇的内容会略长一些，各位读者做好心理准备。如上一篇
15、介绍的那样，传统的二层技术无法实现真正意义上的大二层网络。所以就要另外动脑筋来想办法。幸好这个世界上聪明的脑袋是很多的，这些技术大牛们各显神通，在最近十来年的时间之间，提出了很多大二层网络的解决方案。归纳总结一下，大概有这么几个流派： 釜底抽薪派 移花接木派 瞒天过海派1釜底抽薪派1.1思想釜底抽薪派解决大二层网络困境，还是从二层网络的核心问题着手。既然二层网络的核心问题是环路问题，那么解决了环路问题，就一劳永逸了。抽了“环路”的“薪”，那么因环路导致广播风暴的“火”也就烧不起来了。也就意味着，二层网络想做多大就可以做多大。当然，要有效解决大二层环境中的环路问题，传统的xSTP技术行不通了（具体原因前一篇中已经分析过了）。幸好现在我们有了新的武器，那就是网络设备虚拟化技术。所谓网络设备虚拟化技术，就是将相互冗余的两台或多台物理网络设备组合在一起，虚拟化成一台逻辑网络设备，在整个网络中只呈现为一个节点。（这里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（Virtual System）技术，可以把一台网络设备虚拟成多台网络设备使用，这种虚拟化技术就有点和服务器的虚拟化比较相似，但是我们本文中不涉及这
