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Author : MichaelQQ
Article ID : 1186
Audience : default
Version 1.00
Published Date: 2015/2/15 10:00:00
Reads : 393


  SPB模式簡介[3]


摘要 — 雲端網路的發展迅速,舊有的傳統網路技術已經不符合在雲端網路的需求。近年來投入雲端資料中心的研究文獻也相當多,我們針對雲端資料中心的網路部分做一系列的探討,本篇介紹新興網路技術中的TRILL和SPB。

三、新興網路技術

3.1 第二層網路議題

從2.2,我們知道了新興網路的目標,便是建置第二層乙太網路的資料中心,然而第三層網路在過去之所以會如此成功,也是有其原因,這小節我們便會針對第二層網路的限制進行闡述,因為這些限制都是擴大第二層乙太網路的關鍵議題。

在乙太網路中,橋接器(或交換器)透過機器的MAC(Media Access Control)位址來學習或是發現位置,例如機器A的MAC位址從埠一進到橋接器,那接下來若是收到要前往此MAC位址的訊框 (frame) 時,便會將它轉至埠一送出去;而若是未知的目的地時,橋接器便會將此封包廣播出去,詢問此機器位於何處,然而當初乙太網路在設計時,並未加入TTL (Time To Live) 的機制,若網路中有一個迴圈,此封包將會無限的被廣播出去造成所謂的廣播風暴。
圖一:原始橋接網路[1]
圖二:使用STP協定橋接網路[1]


因此乙太網路發展出生成樹協定 (STP, Spanning Tree Protocol),去確保無迴圈的拓樸。生成樹的做法為關掉區域網路中的某些鏈路來確保無迴圈產生,如圖一和圖二所示;然而這樣的做法會因為關閉某些鏈路造成網路整體的效能表現下降,並且當新機器加入拓樸中時,整個生成樹是需要重新計算,如果是在新興資料中心中,當虛擬機器任意移動時,生成樹協定需要不停的計算新的拓樸。

因此可以歸納出幾點重要的議題,首先,因為第二層網路的扁平特性也代表著沒有階層性,若網路機器數量相當多時,橋接器或交換器上的轉發表會需要去記住過多的機器的MAC而造成嚴重負擔,而生成樹協定所造成的網路表現影響也是一個重要議題,並且當機器數量相當大時,網路本身的廣播行為也會增大許多,如何使ARP收斂與減少,也是個重要議題。[2]

目前主要被提出來解決第二層網路限制的技術有二,分別為TRILL (Transparent Interconnection of Lots of Links)、SPB (Shortest Path Bridging)。兩項技術都將第三層網路所使用的路由協定做修改後引進第二層網路,並使用新設計(或延伸)的封包標頭來封裝原本的第二層網路訊框,透過階層式的封裝讓橋接器和交換器中的轉發表不會過於龐大;但是為了保留第二層網路中隨插即用的優點,兩項技術也都提出了新的控制平面 (Control Plane) 協定,透過這些新的技術便解決使用第二層網路來建制廣域網路時所產生的問題。

3.2 TRILL

TRILL為IETF (Internet Engineering Task Force) 產出的技術,主要是透過路由橋接器 (RBridge),來部署屬於第二層的路由網路,TRILL透過IS-IS (Intermediate System to Intermediate System)路由演算法來交換資訊,路由橋接器交換完彼此的資訊後,便可計算出最短跳數的路徑,另外,TRILL透過選定的路由橋接器為樹的根,來區分出不同的群播群組,來完成群播與廣播的功能。TRILL除了達到2.2提到的虛擬化資料中心需求外,也打破了於3.1提到的STP限制,達到無迴圈的拓樸,允許多目的地的封包被有效率的分散至整個網路,改善了網路效能,並透過TRILL標頭的封裝,使虛擬機器的IP位址不需要更改設定便可以任意移動,並且達到縮減轉送表的效果。

TRILL透過路由橋接器之間的IS-IS交換資訊,取得拓樸中所有路由橋接器的資訊,這些資訊包含路由橋接器本身的暱稱 (nickname)與鄰居的暱稱(這裡的暱稱是為路由橋接器設計的欄位,使每台路由橋接器都有一個代表自己的暱稱,總長度12位元),蒐集完後計算出整個拓樸來完成控制平面基本資訊,並且為了解決私有網路所導入的問題,在一個區域網路 (LAN) 中若有多台路由橋接器,可能會因為虛擬區域網路 (VLAN) 切割的關係去造成重複轉發的迴圈問題,這些路由橋接器之中便會選舉出一台指定的路由橋接器,透過它來轉送所有虛擬區域網路封包,或是透過它來指派其餘的路由橋接器為某些虛擬區域網路的委任轉發者 (Appointed Forwarder),來分擔部分虛擬區域網路的封包轉發,減少指定路由橋接器的負擔以及提升網路負載的平衡,至於多目的地的封包,TRILL會透過路由橋接器中預設的優先權來計算樹,並透過將封包送至該樹的根來抵達其他目的地,而TRILL也允許多棵樹的同時存在來提供選擇並且分散網路負擔。[2]

在資料平面 (Data Plane) 的部分,TRILL創造了全新的標頭封裝在乙太網路訊框之外,如圖三。
圖三:TRILL封包格式[1]

外標頭與原始乙太訊框的標頭一樣,使一般交換機也能讀懂並進行轉發,中間的部分則為TRILL標頭,標示了入口路由橋接器與出口橋接器的暱稱,並且在這裡加入了過往在第二層網路所看不到的TTL資訊,來避免封包無限的轉發,在內層的部分則為原始的乙太訊框。實際運作上,外標頭來源端會標示的是收到封包的路由橋接器的MAC,目的地端會標示的是路徑上下一個路由橋接器的MAC,促使核心網路中的機器不需要認識所有機器的MAC以減輕核心網路轉發表的負擔;TRILL標頭則如上述紀錄了出口與入口路由橋接器的暱稱,藉此完成階層特性;而原始訊框中紀錄的目的地便是最終目的地的MAC,而來源則是最初的來源端的MAC,從這個角度來看,來源端與目的端就像是在同一個區域網路內。

3.3 SPB

SPB為IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) 所推出的協定,為802.1家族中的一員。我們最常提到的乙太網路也是IEEE的一員,數字為802.3,因此IEEE也致力於發展這系列的網路協定。要介紹SPB便要從802.1Q也是眾所皆知的虛擬區域網路 (VLAN) 介紹起,802.1Q於第二層訊框的標頭中加入私有區網標籤 (VLAN TAG) 來識別不同虛擬區域網路的訊框,完成了區域網路內的切割;而接下來的802.1ad又或稱802.1Q-in-Q,則是用了雙重標籤的方法,來區分使用者與網路提供者;再接來為了要完全的將核心網路與使用者分開的802.1ah,使核心網路不用學習使用者端的MAC資訊,最後達到了轉發表縮減的效果。然而上述的發展沿革都還是在生成樹協定下的協定,因此IEEE提出了802.1aq,也就是SPB (Shortest Path Bridging),與TRILL相同的地方為SPB也導入了IS-IS來完成路由,克服生成樹協定的障礙,透過加入路由的計算,達到頻寬使用率提高的效果,並且也因為沿革上核心網路與使用者網路的分開,使得網路的數量限制也得以突破。

圖四:802.1沿革圖

圖五: SPB模式簡介[3] 

SPB分為兩種模式,如圖五所示,分別為Q-in-Q的SPBV與Mac-in-Mac的SPBM,而底下針對SPB的介紹皆會以SPBM為主。從802.1的沿革可以看的出來,在802.1ad時有了兩個標籤分別為使用者標籤 (C-TAG) 與服務標籤 (S-TAG) ,在導入Mac-in-Mac後,802.1ah多了骨幹標籤 (B-TAG) 與服務標籤 (I-TAG) ,並且在封包最外面為骨幹網路來源與目的地的MAC。因為SPB提供I-TAG map to C-TAG和I-TAG map to S-TAG兩種模式,因此內部的S-TAG即可選用或不選用,至此便是SPB的資料平面的部分。而SPB的控制平面是導入了IS-IS來完成路由,去計算出多重的最短路徑來提供封包路由。

參考文獻
[1] R. Perlman, "Introduction to TRILL," The Internet Protocol Journal 4.3 (2011): 2-20.
[2] A. Amamou, K. Haddadou, and G. Pujolle, "A TRILL-based multi-tenant data center network," Computer Networks (2014).
[3] J. De Clercq and O. Paridaens. “Scalability Implications of Virtual Private Networks,” IEEE Commun. Mag., vol.40, no.5, May 2002.

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