Tungsten Fabric如何支撑大规模云平台

至顶网网络与安全频道 02月24日 综合消息： 

“MTU的值设置多少合适呢?现在最佳实践是设置到9000。”

“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。”

“大规模云平台对SDN的要求,第一是网络基础架构要可扩展,第二是控制器可扩展,第三是数据平面无集中式单点,第四是跨集群的扩展网络。”

“在基础架构上,如果用Tungsten Fabric,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。”

“Tungsten Fabric的本质是基于MPLS VPN的SDN。”

“跨集群的互联,或者叫多云互联,主要有两种模式:基于控制器之间的互联,基于Cloud Gateway之间的互联。”

本文整理自TF中文社区技术代表杨雨在TF中文社区“2020第一次Meetup”上的演讲,分享Tungsten Fabric对大规模云平台的支持。

在TF中文社区1月7日的“2020第一次Meetup”活动上,来自Tungsten Fabric技术研发和一线使用者、关注多云互联的从业者、开源SDN的爱好者们互相切磋、支招,现场气氛热烈,精彩内容不断。Tungsten Fabric在中国的广泛应用正在越来越真切地走来。

本次演讲及TF中文社区“2020第一次Meetup”活动资料,请在“TF中文社区”公众号后台点击“会议活动-Meetup”领取。

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Tungsten Fabric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24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。

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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。Tungsten Fabric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Tungsten Fabric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Tungsten Fabric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EVPN-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Tungsten Fabric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EVPN-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Tungsten Fabric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Tungsten Fabric,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,最佳建议是用eBGP来做交互。

Tungsten Fabric的本质是基于MPLS VPN的SDN。原来的VPN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VPN建立不同的隧道来打通,这就是Tungsten Fabric的本质。不同之处在于控制平面,Tungsten Fabric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Tungsten Fabric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Tungsten Fabric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Tungsten Fabric中增加一个BMS服务器接入到Tungsten Fabric管理的虚拟网络,Tungsten Fabric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Tungsten Fabric控制器再通过OVSDB协议或EVPN-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。

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Tungsten Fabric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。

Tungsten Fabric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。Tungsten Fabric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。Tungsten Fabric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Tungsten Fabric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。Tungsten Fabric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 VPN或L2 VPN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Tungsten Fabric强大的地方,MPLS VPN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VPN、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VPN,MPLS VPN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,Tungsten Fabric可以说是完胜的。

基础网络方面,Tungsten Fabric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,Tungsten Fabric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;Tungsten Fabric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Tungsten Fabric基于MPLS VPN;和网络设备的交互方面,Neutron只有ironic的networking generic switc driver,Tungsten Fabric支持BGP、NETCONF、EVPN-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。

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