VM及其遷移驅(qū)動著數(shù)據(jù)中心大規(guī)模二層網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)量隨之增大，網(wǎng)絡(luò)管理成為數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施管理中的一個棘手問題。同時，現(xiàn)代大數(shù)據(jù)中心對網(wǎng)絡(luò)提供給服務(wù)器的端口密度也提出了更高的要求，例如萬臺服務(wù)器的規(guī)模已是互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心現(xiàn)實中的普遍需求。端口擴展技術(shù)作為提高接入設(shè)備端口密度的一種有效手段逐漸成熟并獲得了業(yè)界的認(rèn)可。VCF縱向虛擬化技術(shù)（Vertical Converged Framework，縱向融合框架，以下簡稱VCF）即是該技術(shù)的一種實現(xiàn)方式，滿足數(shù)據(jù)中心虛擬化高密接入并可以簡化管理。Cisco公司相類似的技術(shù)是FEX。
VCF在縱向維度上支持對系統(tǒng)進行異構(gòu)擴展，即在形成一臺邏輯虛擬設(shè)備的基礎(chǔ)上，把一臺盒式設(shè)備作為一塊遠(yuǎn)程接口板加入主設(shè)備系統(tǒng)，以達(dá)到擴展I/O端口能力和進行集中控制管理的目的。為敘述方便，后文會把縱向VCF的建立和管理過程等與IRF傳統(tǒng)的橫向相關(guān)功能進行對比。
IRF（橫向）堆疊拓?fù)渲饕墟溞秃铜h(huán)形兩種。設(shè)備按角色可分為Master和Slave。Slave在一定條件下可轉(zhuǎn)變?yōu)镸aster，兩者業(yè)務(wù)處理能力是同一水平的，只不過Slave處于"非不能也，實不為也"的狀態(tài)。
對于VCF（即縱向）來說，設(shè)備按角色分為CB（Controlling Bridge）和PE（Port Extender）兩種。CB表示控制設(shè)備，PE表示縱向擴展設(shè)備，即端口擴展器（或稱遠(yuǎn)程接口板）。通常來說，PE設(shè)備的能力不足以充當(dāng)CB，管理拓?fù)渖想y以越級，處于"非不為也，實不能也"的狀態(tài)。
如圖1所示，左邊是框式設(shè)備或者是盒式設(shè)備各自形成IRF堆疊橫向虛擬化系統(tǒng)，有環(huán)形堆疊和鏈型堆疊（虛線存在的情況）兩種拓?fù)湫问�；右邊是框式設(shè)備與盒式設(shè)備形成VCF縱向虛擬化系統(tǒng)（簡稱 VCF Fabric），為便于對比CB由IRF堆疊組成。
圖1.IRF橫向虛擬化和VCF縱向虛擬化對比
一般來說，對于IRF（橫向）堆疊，控制平面由Master管理，轉(zhuǎn)發(fā)能力和端口密度隨著Slave增加而增加。對于VCF（縱向） Fabric，控制平面由CB（或IRF中的Master）管理，端口密度隨著PE增加而增加，但總體上轉(zhuǎn)發(fā)能力仍取決于CB設(shè)備。
VCF可與IRF技術(shù)組合使用， 所形成的系統(tǒng)具有單一管理點、跨設(shè)備聚合以及即插即用等優(yōu)點，同時加強了縱向端口擴展能力。
一、VCF技術(shù)機制
對VCF來說，CB角色可以由處理能力較強的盒式設(shè)備和框式設(shè)備承擔(dān)，也可以是基于IRF技術(shù)建立的橫向堆疊。PE一般來說是低成本的盒式設(shè)備。實際應(yīng)用中，CB角色多為橫向堆疊，這樣有益于PE上行冗余。以下技術(shù)說明以此為主。
1.拓?fù)涔芾?/strong>
圖2中CB角色是一個典型的IRF堆疊。PE角色為盒式設(shè)備。CB與PE互聯(lián)口稱為縱向 Fabric口，縱向 Fabric口是一個邏輯概念，可以是一個物理端口或者多個物理端口組成的聚合口。CB與PE之間可以使用專用線纜或光纖連接。
圖2.VCF典型拓?fù)?/p>
PE根據(jù)組網(wǎng)需要可以連到一臺或多臺CB設(shè)備上，PE與PE之間不能再有其他連線。從模型上說，PE相當(dāng)于CB的一塊遠(yuǎn)程接口板。從功能上看，CB與PE間的縱向 Fabric連接相當(dāng)于框式設(shè)備的"背板"。從管理上看，所有CB和PE設(shè)備組成一個堆疊，對外是一臺設(shè)備，一個管理點。
整個拓?fù)浣▋蓚�方面：一方面是多臺CB設(shè)備依據(jù)IRF相關(guān)規(guī)則和拓?fù)溆嬎憬M向堆疊；另一方面是CB通過縱向 Fabric口向外發(fā)送HELLO報文，根據(jù)PE反饋信息建立縱向 Fabric。
如圖3所示，縱向 Fabric建立過程主要分為四步：
第一步，完成擴展板編號（Slot-ID）的分配和獲取。CB上VCF Fabric口使能后會周期性地發(fā)送探測報文，一旦Slot-ID分配完成則停止。
第二步，完成軟件的加載。包括PE發(fā)送加載請求，CB提供版本文件描述信息，以及確認(rèn)加載和加載完成等幾個子過程。這其中，Bootware（類似于個人電腦上的BIOS）和App（即主機軟件）的加載實現(xiàn)過程類似。
第三步，PE以下載后的版本重啟并完成在CB的注冊。
最后，CB向PE下發(fā)配置信息。
圖3.PE加入以及VCF建立過程
2.VCF Fabric連接方式
如前所述，PE到CB間縱向 Fabric連接類似于框式設(shè)備的"背板"，為了增加帶寬并使上下行流量保持合適的收斂比，兩者間鏈路通常由多個物理線路組成，邏輯上可采用HASH方式來實現(xiàn)。這樣一條鏈路Down，不會引起掛服務(wù)器的下行端口Down，但帶寬變小，相關(guān)流量也會重新進行HASH計算并分配到剩余鏈路上（如圖4所示）。
圖4.VCF Fabric連接方式
3.PE管理
橫向配置、Master選舉以及整個堆疊建立和維護與IRF沒有縱向功能前完全一樣�？v向VCF加上PE后，建立過程相對復(fù)雜一些，但本質(zhì)上所有CB和PE形成一個單一的邏輯實體，可以通過任何一臺CB上的用戶管理接口，如Console口、Telnet或者網(wǎng)管口來進行配置和管理。
IRF（橫向）系統(tǒng)使用成員編號（Member-ID）來標(biāo)識和管理成員設(shè)備，在一個IRF中所有設(shè)備的成員編號是唯一的。成員編號被引入到端口編號中，便于用戶配置和識別成員設(shè)備上的接口。類似地，在VCF（縱向）中，系統(tǒng)使用擴展板編號（Slot -ID）來標(biāo)識和管理縱向擴展設(shè)備，在整個 系統(tǒng)中擴展板編號也是唯一的且同樣被引入到端口編號中。如果CB是框式設(shè)備，這個編號也絕對不能與框式設(shè)備上已有接口板（LPU）的編號重復(fù)。在使用上兩者機制稍有區(qū)別，成員編號（Member-ID）需要設(shè)備重啟才能生效；而擴展板編號（Slot -ID）在CB上配置后可立即生效。
PE加入。當(dāng)VCF系統(tǒng)有新的成員設(shè)備加入時，會根據(jù)系統(tǒng)所處狀態(tài)或者PE設(shè)備的狀態(tài)采取不同的處理過程。假設(shè)橫向IRF已配置，且在CB上已為PE分配了Slot -ID。（1）此時PE以缺省出廠配置可即插即用。正常運行的縱向 VCF系統(tǒng)，當(dāng)因某些外在因素引起斷電或重啟，系統(tǒng)不需要干預(yù)的情況下將自動恢復(fù)。（2）運行過程中，PE可以通過縱向 Fabric口隨時接入系統(tǒng)，CB會自動計算拓?fù)湟苑乐剐碌腜E接入時產(chǎn)生環(huán)路。從虛擬化的角度來看，這個過程相當(dāng)于框式設(shè)備的接口板插入。當(dāng)然，由于此時的"背板"鏈接是動態(tài)端口，需要進行拓?fù)溆嬎阋宰钄喹h(huán)路；而實際的框式設(shè)備在初始化時已經(jīng)完成了這一動作。
PE離開。PE離開相對來說簡單一些，當(dāng)CB與PE鏈接電纜拔出或者對應(yīng)端口Down掉，系統(tǒng)即產(chǎn)生遠(yuǎn)程接口板離開事件。這一過程與框式設(shè)備的接口板拔出基本一致。
4.盒式設(shè)備作為CB
盒式設(shè)備充當(dāng)CB并下掛PE時，橫向CB通過IRF互聯(lián)形成的虛擬設(shè)備相當(dāng)于一臺框式分布式設(shè)備主控板；縱向PE通過VCF互聯(lián)形成虛擬框式設(shè)備的分布式設(shè)備接口板（或稱線卡）。橫向IRF互聯(lián)電纜模擬了交換背板中主控板互聯(lián)，IRF中的Master相當(dāng)于虛擬設(shè)備的主用主控板，Slave設(shè)備相當(dāng)于備用主控板。同樣地，縱向VCF的CB與PE間互聯(lián)電纜模擬交換背板中接口板到背板的鏈接，PE設(shè)備相當(dāng)于虛擬設(shè)備的I/O接口板。如圖5所示，右邊為虛擬化設(shè)備的邏輯視圖。
圖5.盒式設(shè)備作為CB時形成的VCF虛擬化設(shè)備
5.框式設(shè)備作為CB
框式設(shè)備充當(dāng)CB并下掛PE時，對于橫向，框式設(shè)備通過IRF互聯(lián)形成的虛擬設(shè)備也相當(dāng)于一臺框式分布式設(shè)備，此時該虛擬框式設(shè)備擁有更多的主控板和接口板；對于縱向，PE通過VCF互聯(lián)形成虛擬框式設(shè)備的分布式設(shè)備接口板。橫向IRF中的Master的主用主控板相當(dāng)于虛擬設(shè)備的主用主控板，Master的備用主控板以及Slave的主用、備用主控板均相當(dāng)于虛擬設(shè)備的備用主控板（同時可擔(dān)任接口板的角色）；Master和Slave中的接口板繼續(xù)擔(dān)當(dāng)接口板的角色，其中接口板的部分或者全部端口與PE相連。同樣地，對于縱向，盒式PE通過VCF與CB相連（一般來說是框式CB的接口板），PE設(shè)備相當(dāng)于虛擬設(shè)備的I/O接口板（如圖6所示，右邊為虛擬化設(shè)備的邏輯視圖）。
圖6.框式設(shè)備作為CB時形成的VCF虛擬化設(shè)備
二、VCF系統(tǒng)管理
上文已提到整個 Fabric系統(tǒng)可作為一個邏輯實體，通過一個IP進行管理。但是系統(tǒng)層面如何進行軟件版本管理，如何進行配置和如何通過即插即用來建立VCF系統(tǒng)的呢？
軟件版本管理。IRF在建立橫向堆疊的時候會比較版本，最終所有成員都會統(tǒng)一于Master的版本。對VCF來說， PE在加入堆疊時，從CB下載版本；當(dāng)CB是IRF堆疊時，無論PE是否直接與Master相連，都會從Master獲取版本。因此，從結(jié)果看，整個堆疊系統(tǒng)版本都會與Master統(tǒng)一。橫向堆疊Slave獲取的版本與Master自身運行的版本是同步的；縱向 Fabric各PE獲取的是適合PE運行的部分。一般來說，CB和PE各自由不同的CPU和交換芯片等構(gòu)成，因此實際上在CB（或Master）上有兩個不同功能用途的軟件包，系統(tǒng)啟動或運行過程中會自適應(yīng)各取所需。
配置管理。整個 Fabric系統(tǒng)作為一個邏輯實體進行管理時，可通過IRF成員如Master或Slave的Console等進行配置；一般來說，PE不提供Console等配置口。對于VCF，當(dāng)在CB上指定與物理端口（或邏輯上的聚合端口）相應(yīng)的Slot-ID后，且PE已正常加入系統(tǒng)，此時便可通過CB對PE進行配置，例如PE上端口所屬VLAN，QoS規(guī)則等。系統(tǒng)保存配置后，PE對應(yīng)配置信息保存在CB上。當(dāng)系統(tǒng)重啟或者更換PE時，PE對應(yīng)配置信息也從CB上下發(fā)，即PE配置可以"繼承"。
PE即插即用。PE相當(dāng)于VCF虛擬化框式設(shè)備的一塊接口板，實際框式設(shè)備通過熱插拔來實現(xiàn)即插即用，為了實現(xiàn)類似功能和簡化管理，PE通過縱向 Fabric口以及縱向 Fabric連接Up/Down事件感知支持即插即用。PE"插入"虛擬框的過程同圖3縱向 Fabric建立過程，此處不再贅述。
三、VCF上層控制協(xié)議
VCF側(cè)重對CB設(shè)備進行I/O端口擴展，除了和端口密切相關(guān)的功能外，其他上層協(xié)議基本上都在CB上實現(xiàn)。這樣做的好處顯而易見，PE僅作為接口板插入虛擬框式設(shè)備，提高了端口密度而減少了管理網(wǎng)元，且系統(tǒng)控制管理平面上移，有利于對大二層多服務(wù)器環(huán)境下的集中控制和網(wǎng)絡(luò)策略管理。其次，對PE的性能規(guī)格要求不高，有利于成本控制。
CB在橫向IRF組成的Master和多個Salve是1:N備份模型，作為縱向諸多PE的管理控制單元起著冗余備份作用�？v向 Fabric PE作為接口板加入，協(xié)議控制平面繼承了橫向堆疊的實現(xiàn)和優(yōu)點。例如對三層報文TTL跳數(shù)仍只加1；支持跨PE聚合等。
四、VCF轉(zhuǎn)發(fā)平面實現(xiàn)
一般來說，VCF中CB設(shè)備相對PE性能更好，承擔(dān)VCF的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)決策；而PE主要承擔(dān)CB端口擴展器角色。在VCF CB設(shè)備中，不管業(yè)務(wù)流量來自PE設(shè)備，還是來自CB設(shè)備自身的非縱向 Fabric口，都根據(jù)業(yè)務(wù)報文的目的進行查表轉(zhuǎn)發(fā)。
VCF單播轉(zhuǎn)發(fā)
VCF上行方向（即從PE到CB），來自PE的UNI口的流量，在擴展設(shè)備上不做查表轉(zhuǎn)發(fā)處理，而是將原始的業(yè)務(wù)報文直接重定向到CB設(shè)備。CB設(shè)備收到業(yè)務(wù)報文后，從其中提取擴展端口等信息，并基于該信息完成地址學(xué)習(xí)及業(yè)務(wù)控制。
下行方向。如果業(yè)務(wù)報文需要單播到PE的某UNI端口，CB設(shè)備在完成業(yè)務(wù)報文轉(zhuǎn)發(fā)決策和必要的報文修改后，通過縱向 Fabric互聯(lián)口發(fā)送到PE設(shè)備。PE收到業(yè)務(wù)報文后，從其中直接提取出端口等完成業(yè)務(wù)報文的發(fā)送。
VCF組播轉(zhuǎn)發(fā)
上行方向，即從PE向CB的報文流程同前文單播一致。下行方向，對于需要組播（廣播處理過程同組播）的業(yè)務(wù)報文，CB設(shè)備會為每個PE設(shè)備拷貝一份業(yè)務(wù)報文，通過縱向 Fabric互聯(lián)口發(fā)送到PE設(shè)備。PE收到這類業(yè)務(wù)報文后，如果是廣播報文，則在對應(yīng)的VLAN內(nèi)廣播業(yè)務(wù)報文；如果是組播報文，則按照組播索引查找對應(yīng)的UNI端口列表復(fù)制并發(fā)送業(yè)務(wù)報文。
VCF多互聯(lián)鏈路選路機制
一般來說，CB設(shè)備和PE之間會配置多個互聯(lián)鏈路，而且IRF橫向堆疊作為CB設(shè)備時，多個互聯(lián)鏈路可以分布在不同的IRF成員設(shè)備上。
PE到CB設(shè)備的上行方向，單播和組播實現(xiàn)方式一致。采用HASH方式使得流量在互聯(lián)鏈路上分布更為均勻。
CB設(shè)備到PE設(shè)備的下行選路，對于單播，采用最短路徑原則，即如果CB設(shè)備是IRF，且到某PE的互聯(lián)鏈路分布在多個IRF成員上，則IRF選擇到PE的最短路徑。如果單個IRF成員與某PE有多條互聯(lián)鏈路，則在該IRF成員上進行聚合HASH選路。這一原則的出發(fā)點在于，盡可能減少對IRF本身堆疊鏈路的帶寬占用。對于組播，只選擇一個互聯(lián)鏈路發(fā)送一份組播拷貝，當(dāng)同一PE下有多個用戶時，實際復(fù)制工作在PE進行。
當(dāng)然，為了提升系統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)性能和減小延遲，某些PE也可提供本地流量轉(zhuǎn)發(fā)功能。
五、VCF架構(gòu)的特點
VCF部署中的多級冗余和高可靠性
VCF支持多種CB和PE設(shè)備。就CB來說，包括框式和盒式兩種類型，都支持服務(wù)器跨PE冗余接入。特別是框式CB，由于CB通過IRF橫向堆疊組網(wǎng)，天然支持跨框和跨板聚合，從而為網(wǎng)絡(luò)冗余設(shè)計提供豐富的選擇。同時，VCF方案不僅支持虛擬接入層的冗余，而且也支持核心（匯聚）層的冗余，能更全面提升系統(tǒng)級的可靠性。
VCF技術(shù)的高可擴展性
VCF中CB可通過IRF橫向堆疊建立，即可由多臺設(shè)備組成。例如H3C框式高端設(shè)備最多可構(gòu)建4臺設(shè)備組成的IRF堆疊，這些設(shè)備充當(dāng)CB角色時也是如此。盒式設(shè)備則可構(gòu)建更大規(guī)模的IRF和VCF系統(tǒng)。
VCF中CB角色通過不同組合可提供更大的靈活性和更好的擴展性。這一優(yōu)勢能更好地支持企業(yè)或云服務(wù)運營商根據(jù)自身業(yè)務(wù)發(fā)展規(guī)模進行IT設(shè)施的平滑擴容。
L2/L3流量線速轉(zhuǎn)發(fā)
VCF中承擔(dān)CB角色的所有設(shè)備，包括框式設(shè)備和盒式設(shè)備均支持二層、三層流量的線速轉(zhuǎn)發(fā)。既不需要增加額外的板卡，而且L2/L3流量完全線速。
PE設(shè)備支持雙模式和保護用戶投資
H3C的PE設(shè)備支持兩種運行模式，即標(biāo)準(zhǔn)交換模式和PE模式。兩者模式可以通過命令行或者網(wǎng)管進行切換。設(shè)備出廠缺省設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)交換模式；當(dāng)和支持VCF縱向管理的設(shè)備互連且縱向特性開啟的情況下，設(shè)備可自動感知切換到PE模式，也就是支持即插即用。
雙模式特性使得用戶可根據(jù)自身網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)組網(wǎng)的需要進行選擇，在不犧牲縱向設(shè)備"即插即用"等簡化管理功能的情況下，很好地保護了用戶投資。
六、總結(jié)
IT基礎(chǔ)設(shè)施虛擬化既是當(dāng)前熱點，也是今后一段時期的趨勢。VCF技術(shù)為網(wǎng)絡(luò)虛擬化以及支持?jǐn)?shù)據(jù)中心服務(wù)器虛擬化提供了一種思路。VCF縱向擴展技術(shù)將有助于構(gòu)建大規(guī)模虛擬化網(wǎng)絡(luò)和簡化管理。
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