借助光连接与网络产品利器，实现数据中心网络优化

随着5G、云计算、AI等技术的不断演进，SDN与NFV或者其他虚拟化网络技术在数据中心进行应用。数据中心经历了从经典三层架构、大二层网络架构、再到Spine/Leaf的叶脊架构，数据中心网络架构的发展越来越扁平化与自动化。

另外，数据中心有简化的趋势，数据中心网络新设计正在从2层转向3层。当前最先进的数据中心只是运行BGP、EVPN和BFD协议来进行快速的故障转移。

数据中心越先进，运行的协议就越少，配置文件就越短。然而，这种简化趋势主要是需要更多的可见性，因为聪明的人想要看到他们的网络内部发生了什么。随着网络变得越来越大、越来越快，精明的IT管理人员正在使用更少的协议，但目标是更多的遥测和监控技术，以实现更好的可见性。

面对数据中心的网络结构的发展变化，纳多德在已有大量项目方案的实际经验基础上，介绍五种新方法，来帮助用户优化企业的数据中心网络架构：

用VXLAN替换VLAN

使用ARP抑制来减少广播流

用EVPN Multihoming替换MLAG

使用ECMP和UCMP 处理流量平衡

利用自适应路由解决流量极化问题

1. 用VXLAN替换VLAN

VXLAN（Virtual eXtensible Local Area Network，虚拟扩展局域网）是由IETF定义的NVO3（Network Virtualization over Layer 3）标准技术之一，采用L2 over L4（MAC-in-UDP）的报文封装模式，将二层报文用三层协议进行封装，可实现二层网络在三层范围内进行扩展，同时满足数据中心大二层虚拟迁移和多租户的需求。

传统2层网络具有以下缺点：

它依赖生成树协议（STP），导致带宽利用率、冗余和多路径的能力受到生成树功能的限制。

它只能在一个子网内运行，当使用MLAG时 ，冗余通常仅限于两个设备。

任何路径级冗余都需要链路聚合控制协议（LACP），这是端口的标准冗余技术。

如上图所示，VXLAN克服了传统2层网络的缺陷，允许网络管理者在3层路由结构上进行优化。用户仍然可以实现2层网络的覆盖，但由于使用EVPN作为控制平面，因此不再需要生成树来进行控制平面收敛。EVPN通过BGP地址簇来交换MAC信息，而不是低效的广播泛洪和学习。此外，VXLAN使用24位ID ，可定义多达1600万个虚拟网络，而VLAN只有12位ID，仅限于4094个虚拟网络。总之，VXLAN通过MAC-in-UDP的报文封装，实现了二层报文在三层网络上的透传，在云端上架起了一道道无形的“彩虹”，解决了云计算中虚拟化带来的一系列问题。

2. 使用ARP抑制来减少广播传播

在部署VXLAN的数据中心中BUM报文可以通过ARP抑制进一步优化。通常是在EVPN中使用头端复制的方式(具体体现是在桥中添加mac地址为全0的FDB表项进行头端复制)来进行实现。当有很多的ARP广播请求报文的时候，容易造成广播泛滥。采用ARP抑制可以有效限制广播ARP报文的数量。

如上图所示，VXLAN三层网关通过动态学习终端租户的ARP表项，再根据ARP表项生成主机信息（包括主机IP地址、 MAC地址、 VTEP地址和VNI ID），并将主机信息通过MP-BGP或BGP EVPN对外发布，使其他的BGP邻居可以学习到主机信息。因此部署ARP抑制可以优化覆盖网络控制平面的，获得更快的地址解析速度。它还减少了网络中的广播流量，因为ARP抑制减少了向VXLAN基础设施中的每个VTEP发送ARP请求的需要。

3. 用 EVPN Multihoming（EVPN-MH（EVPN多宿主））替换MLAG

在某些场景中，VXLAN环境中仍然需要MLAG来实现冗余多宿主机的连接。EVPN-MH是一个摆脱现有专用MLAG解决方案的机会，它提供双活服务器冗余支持，因为专用MLAG解决方案的扩展范围不超过一个设备冗余级别。

EVPN Multihoming特点

无需在TOR交换机之间建立Peer link链路或交换机间链路

允许两个以上TOR交换机成为一个冗余组

提供单个BGP-EVPN 控制平面

允许多供应商互操作性

如上图所示，VXLAN有助于消除MLAG所需的背靠LEAF到SPINE交换机连接的需要。EVPN-MH进一步消除了Server到TOR交换机连接中对MLAG的任何需要。

Multihoming 使用EVPN消息与宿主机进行通信，并使用主机连接信息动态构建与服务器的2层邻接关系。当MLAG需要LAG ID时，Multihoming使用以太网段ID。接口映射到用于作为与同一终端主机逻辑连接的以太网段（Ethernet Segment）。

此外，通过在交换机中使用标准协议构造冗余，转向使用EVPN-MH可以提高网络供应商的互操作性。由于EVPN底层使用开放标准协议BGP ，任何通过RFC规范实现EVPN-MH的供应商都可以成为以太网段的一部分。

4. ECMP和UCMP处理流量平衡

ECMP（等价多路径路由）即存在多条到达同一个目的地址的相等开销的路径。它是大多数3层路由协议中的标准功能，在这些协议中，在所有可用的下一跳上行链路中实现平衡的等价路由。2层控制平面技术（如：生成树）仅允许通过依赖外部技术（如：LACP）实现同等价负载分担。

ECMP是3层路由中的原生功能，它使您能够提高网络设备的效率。

在某些情况下，ECMP可能会导致转发效率低下，特别是在部署全面的3层解决方案时，在网络中的任何位置都使用点对点L3链路，甚至到主机。在这种情况下，您可能希望在使用链路数量以外的指标来平衡流量。UCMP（非平衡链路负载均衡）在这里很有用，因为它使用BGP标记创建跨跃点的流量分布，以便更好地与应用程序分布相匹配。UCMP区别于传统ECMP，其最大特点是利用权重值来区别对待带宽的使用，使得两条不同带宽的出口，可根据带宽大小不同来承担不同的数据流量传输.

5. 通过自适应路由解决流量极化问题

自适应路由是现有InfiniBand技术在以太网交换上的实现。自适应路由监控链路带宽、链路利用率、交换机缓冲区和ECN/PFC ，将转发到ECMP组的流量选择拥塞程度最低的端口进行传输，拥塞程度基于出口队列负载进行评估，确保 ECMP组在不考虑“熵”级别的情况下保持良好平衡。

“熵”是一种衡量流经既定网络的流量的丰富性和多样性的方法。

例如：当您有数千个从全球各地的客户端随机连接的流时，您的网络被称为有high entropy（高熵）。然而，当您只有少数大型流时（这在 AI 和存储工作负载中经常发生），大型流会控制带宽，因此会出现 low entropy（低熵）。这种低熵流量模式也称为“大象流”分布，在许多数据中心工作负载中都很明显。

当使用静态 ECMP 的传统技术，您需要“高熵”来将流量均匀地分布在多个链路上，而不会出现拥塞。然而，在“大象流”场景中，多个流可能出现在同一条链路上，从而创建一个超过线路带宽的流量热点或微突发。这会导致拥塞、延迟增加、数据包丢失和重传。对于许多应用程序，性能不仅取决于网络的平均带宽，还取决于流完成时间的分布。完成时间分布中的长尾或异常值可能会显著降低应用程序性能。

因此，通过自适应路由技术利用其灵活的网络拓扑适应性，对于 CLOS（或叶/脊椎）等典型拓扑，到既定目标的各种路径间距相同时，交换机通常拥塞最小的端口传输数据包。当在路径间距不同的其他拓扑中，交换机倾向于通过最短路径发送流量。如果拥塞发生在最短路径上，则选择拥塞最小的备选路径。这确保了网络带宽得到有效利用。自适应路由的目标是将网络管理员从手动调整干预中解放出来，让基础网络处理聚合流负载均衡的优化工作。

以上我们介绍了数据中心网络中可用的优化方案。这些优化有助于减少基础设施上不必要的控制流量，并且可平衡现有物理链路上的流量，充分利用所有可用链路带宽。

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审核编辑：汤梓红