虛擬化技術在數據中心是個時髦詞兒，有橫向虛擬化、縱向虛擬化、一虛多虛擬化、NVO3虛擬化等等。今天重點跟大家聊聊橫向虛擬化，以華為CloudEngine 12800系列為例，讓朋友們了解一下此技術的由來和發展史，深入淺出地介紹下各種橫向虛擬化技術的特點、以及各種場景下的選擇策略。

　　橫向虛擬化集群由來

　　在數據中心網絡發展初期，沒有專門的數據中心交換機，那咋辦？先拿園區交換機頂著，使用最傳統的VRRP+STP，湊合著用吧，就是下面這張經典的園區網絡。

　　這個網絡模型，透著濃濃的經典、可靠的園區味道。可時間久了，問題就來了：

　　 流量越來越大，STP阻斷導致鏈路利用率低；

　　 非最短路徑轉發，樹根存在帶寬瓶頸，轉發時延大；

　　 VRRP單活網關，備節點設備閑置；

　　 STP網絡規模受限，收斂性能較差；

　　 管理節點多，邏輯拓撲復雜，維護麻煩。

　　這些問題帶來橫向虛擬化的訴求，框式交換機集群率先登場。

　　堆疊

　　典型的框式交換機堆疊，有CISCO的VSS（Virtual Switch System）、華為的CSS（Cluster Switch System）、H3C的IRF（Intelligent Resilient Framework）。VSS、CSS、IRF在本質上都是堆疊，只是穿了不同的馬甲而已，當然各廠家也發展出一些差異，這是后話。

　　堆疊技術，本質上就是合并，管理平面、控制平面、轉發平面的全面合并。堆疊系統的主控板，管理兩臺物理設備的所有線卡和網板，變成一個邏輯的大交換機。

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　　但需要注意，堆疊目的不僅僅是為了變大，從網絡角度看一下邏輯拓撲，一下變得“高富帥”！

　　“高富帥”的主要表現：

　　幾乎兩倍交換能力的超級節點；

　　二三層轉發流量完全負載分擔，充分利用所有鏈路；

　　邏輯單節點，業務支持全面，網絡方案設計簡單；

　　通過部署跨框link-agg，支持物理節點的故障保護；

　　網元二合一，有利于網絡管理和維護。

　　還有零零碎碎的好處也不少：

　　最短路徑轉發，時延低；

　　相對傳統STP，可以組建更大的二層網絡；

　　link-agg的收斂性能，網絡故障收斂塊。

　　在堆疊系統中，堆疊鏈路的帶寬相對于業務端口，帶寬總是不夠的。這就要求轉發的業務流量盡量避免經過堆疊鏈路，這就是所謂的流量本地優先轉發。

　　如上圖所示，華為數據中心交換機堆疊系統，對三層ECMP、鏈路捆綁支持本地優先。本地優先轉發節省了堆疊鏈路帶寬，同時也達到減少轉發時延的目的。

　　除了上述通用的堆疊技術，華為CloudEngine 12800系列數據中心高端交換機，還針對堆疊的可靠性，做了重大的體質性的優化。

　　堆疊的優化

　　可靠性優化（轉控分離的堆疊）

　　轉控分離的堆疊，也稱為帶外堆疊，這個優化主要目的是高可靠性。

　　業界大部分框式交換機的堆疊，堆疊成員間的控制通道和轉發通道都使用一個通道。華為的CloudEngine 12800系列數據中心交換機獨創性的開發了轉控分離的堆疊系統。這里的“轉”指的是業務數據轉發通道；“控”指的是控制消息（也稱為“信令”）通道。

　　傳統的框式堆疊系統，業務數據通道和控制消息通道都使用相同的物理通道，即堆疊鏈路。如下圖所示：

　　這種堆疊系統，控制消息和數據混合在一起運行，如果堆疊通道的數據通信量大，則可能導致控制消息受到沖擊而丟失，進而影響控制面的可靠性。嚴格來說，這種設計沒有滿足“數據、控制、管理平面分離”的設計要求。此外，堆疊系統的建立，依賴線卡的啟動，導致軟件復雜度的提高，以及影響堆疊的啟動速度。

　　轉控分離的堆疊系統，采用如下所示架構：

　　該硬件堆疊架構帶來一系列可靠性的提升：

　　控制消息通道和業務數據通道物理隔離，保證業務數據不影響控制消息；

　　三重的雙主故障防護，包括堆疊管理鏈路（4路）、堆疊轉發鏈路（至少2路）、業務端口/管理端口DAD；

　　堆疊系統建立，不再依賴線卡的啟動，無軟件時序依賴，簡化軟件實現，而簡單意味著可靠；

　　堆疊系統建立，不再等待線卡/網板的啟動，縮短堆疊系統建立時間；

　　控制消息通道路徑短，故障點少，時延低。

　　堆疊改良的局限性

　　堆疊系統帶來了前述系列的好處，但慢慢的，令人不爽的問題也逐漸暴露出來，這是由堆疊原理本質決定的。

　　如上圖所示，兩臺交換機通過管理平面、控制平面、數據平面的緊耦合，形成邏輯上的一臺交換機。這導致了如下三個風險或者問題。

　　整系統級可靠性風險

　　對于普通的故障，堆疊系統可通過鏈路切換、主備板切換、 框切換等完成故障保護。但是由于整個系統的兩臺物理switch在軟件（管理平面、控制平面）是緊耦合的，這就增大軟件故障從一臺switch擴散到另一臺Switch的可能性。一旦出現這種類型的故障，將導致整個堆疊系統的故障，影響堆疊系統接入的所有業務。

　　版本升級的業務中斷時間長

　　由于堆疊本身承擔了業務保護功能，因此當堆疊系統升級時，不能像VRRP的成員節點升級時由另外一個節點進行流量保護，中斷時間比較長。

　　對此，各廠商開發出了兩框RoundRobin和ISSU的升級方式，這些升級方式縮短了升級時的業務中斷時間，但并不解決下面所說的升級風險，甚至因為技術復雜度、軟件工程復雜度的提升，放大了升級風險。

　　整系統升級風險

　　設備軟件版本升級，即使采用最傳統、簡單的升級方式，也是一個帶風險的網絡操作。設備升級失敗將導致該設備所帶業務失效，這種情況下，要采用包括回退在內的一切手段盡快恢復業務。

　　堆疊系統由于成員交換機間的緊耦合，只能是兩臺設備一起升級，升級失敗將導致堆疊系統下所有業務網絡中斷。而堆疊系統，在接入層往往承擔服務器雙歸保護接入的角色、或者在匯聚承擔高可靠性網關的角色，這意味著升級失敗很可能導致整個業務的癱瘓。

　　Link-agg虛擬化（M-LAG）

　　橫向虛擬化，從需求角度是為了滿足接入層、匯聚層的二層跨設備冗余、匯聚層L3網關的跨設備冗余。那是否還有其他技術，支持橫向虛擬化，又沒有堆疊的哪些問題？

　　答案當然是有，華為CloudEngine系列數據中心交換機的M-LAG（Multichassis Link Aggregation Group）就支持這樣的虛擬化技術。該技術只在兩臺設備的link-agg層面實現二層虛擬化，兩臺成員設備的管理和控制平面是獨立的。

　　注：維基百科稱此技術為MC-LAG（Multi-Chassis Link Aggregation Group），CISCO稱之為vPC（Virtual Port-Channel）。下文都采用維基百科的術語，即簡寫為MC-LAG。

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　　MC-LAG，支持的跨設備鏈路捆綁組網，支持Dual-Active的L3GW。在接入側，從對端設備視角、服務器視角看，MC-LAG與堆疊類似。

　　但是，從三層網絡角度看，MC-LAG的兩個成員節點擁有自己獨立的IP地址，兩個節點有自己獨立的管理和控制平面。從架構角度看，MC-LAG的兩個成員設備僅存在數據面的耦合，以及協議面的輕量級耦合：

　　MC-LAG的架構，決定了此技術方案不存在堆疊難解決的三個問題：

　　那么，說了MC-LAG的這么多好處，是不是就沒有缺點了？當然不是，寸有所長，尺有所短。最后一節比較堆疊與MC-LAG的優缺點，以及場景選擇建議。

　　堆疊和MC-LAG的對比和選擇建議

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　　根據上面的對比表格，堆疊和MC-LAG各有優缺點。總的來說，對于網絡設計/維護人員，堆疊勝在管理維護簡單，MC-LAG勝在可靠性和低升級風險。

　　在數據中心網絡方案設計時，需要權衡考慮，有如下策略可以選擇：

　　策略一：匯聚層優先考慮可靠性、升級方便性，選擇M-LAG；接入層因為設備量大，優先考慮業務部署和維護方便性，選擇堆疊。

　　策略二：優先考慮可靠性、升級低風險，匯聚和接入都使用M-LAG。

　　策略三：優先考慮業務部署和維護方便性，匯聚和接入都使用堆疊。