眾所周知，Cisco正憑借Nexus產(chǎn)品平定整個數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)市場，2010年，Cisco打出了深藏已久的最后一張王牌—FabricPath，至此，Nexus交換機(jī)的主要特性已全部面向公眾發(fā)布，F(xiàn)abricPath為整個計劃添上了最后一塊基石，進(jìn)一步穩(wěn)固了Nexus作為下一代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)平臺的地位。

　　大部分人(包括我)第一次閱讀FabricPath華麗的白皮書后，只朦朧地知道這是一個“能在大型二層數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)多路徑的東東”，既然FabricPath解決的是數(shù)據(jù)中心的問題，我們首先需要弄清楚數(shù)據(jù)中心到底有什么問題。

　　今天的大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)是遵循標(biāo)準(zhǔn)的層次化理念建設(shè)的，分為接入層和匯聚/核心層，接入層和匯聚層之間為二層鏈路，三層網(wǎng)關(guān)設(shè)在匯聚或核心，所有的二層鏈路上都運行生成樹協(xié)議(STP)，當(dāng)任意兩點間有一條以上路徑可達(dá)時，STP會block多余的路徑，以保證兩點間只有一條路徑可達(dá)，從而防止環(huán)路的產(chǎn)生。這種模式在過去很長一段時間被大規(guī)模采用，因為其部署起來非常簡單，接入層設(shè)備不需要復(fù)雜的配置，大部分的網(wǎng)絡(luò)策略只要在匯聚層集中部署就能分發(fā)到全網(wǎng)。但隨著數(shù)據(jù)中心的規(guī)模不斷擴(kuò)張，這種模型逐漸顯得力不從心。

　　未來數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的橫向流量將越來越大，新加入的設(shè)備同原有設(shè)備之間仍然要運行STP，如果兩臺服務(wù)器之間只有一條鏈路可行，其余的萬兆交換機(jī)端口全被block，不但是投資的極大浪費，也無法支持業(yè)務(wù)的快速擴(kuò)展;其次，當(dāng)交叉鏈路數(shù)量增加時，二層網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計會變得非常復(fù)雜，哪條鏈路該保留哪條鏈路該阻斷?三層網(wǎng)關(guān)設(shè)在何處?類似這樣的問題會冒出一大堆，這就失去二層網(wǎng)絡(luò)配置簡單的優(yōu)勢;最后，傳統(tǒng)的二層MAC地址沒有層次化的概念，同一個二層網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的接入交換機(jī)上存儲本網(wǎng)段所有設(shè)備的MAC地址，這很容易導(dǎo)致邊緣設(shè)備的MAC地址空間耗盡，特別是在虛擬化的數(shù)據(jù)中心內(nèi)，虛擬機(jī)的MAC地址數(shù)量可能以千計。

　　如果二層互聯(lián)不能解決問題，另一種思路是在匯聚交換機(jī)和接入交換機(jī)上設(shè)置IP網(wǎng)關(guān)，通過三層路由將所有交換機(jī)連接起來，類似的解決方案還包括將網(wǎng)關(guān)設(shè)置在核心設(shè)備上，通過核心設(shè)備集中互聯(lián)。這個做法以前也許勉強可行，但在虛擬化環(huán)境中，二層網(wǎng)絡(luò)是虛擬機(jī)遷移的基礎(chǔ)。虛擬化的最大特點是可以將業(yè)務(wù)動態(tài)部署到數(shù)據(jù)中心的任何計算資源上，如果這些計算資源(也就是服務(wù)器)被過多的三層網(wǎng)關(guān)隔離開來，也就失去了虛擬化的優(yōu)勢。

　　同時，采用三層接入設(shè)備會產(chǎn)生大量的三層網(wǎng)關(guān)以及無數(shù)個讓網(wǎng)管人員抓狂的地址段。動態(tài)路由協(xié)議的行為往往難以預(yù)測，在重要數(shù)據(jù)中心，為了保證網(wǎng)絡(luò)行為的可控性，每臺交換機(jī)的路由策略都要經(jīng)過仔細(xì)琢磨，這個工作量過于龐大;而如果采用靜態(tài)路由，一旦后期需要改動某個地址段的范圍，可能需要改寫一大段接入換機(jī)的路由表，更不用提相關(guān)訪問控制策略的變動。

　　至此，我們走進(jìn)了死胡同，虛擬化的應(yīng)用要求基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)在擴(kuò)展時保持一個完整的二層環(huán)境，而隨之而來的STP和地址空間問題又成為繞不開的坎，在接受二層環(huán)境的同時，我們基本上也就同一大堆時髦的字眼say byebye了，這些字眼包括但不僅限于“動態(tài)擴(kuò)展”、“多路徑”、“快速收斂”、“層次化尋址”等等，仰望IP路由，二層網(wǎng)絡(luò)就好象一個生活在原始社會的苦行僧，忍受著種種的考驗，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在支持虛擬化數(shù)據(jù)中心擴(kuò)張時已經(jīng)越來越吃力。

　　為了改變這種尷尬的局面，在燒掉大把銀子之后，Cisco的FabricPath終于閃亮登場了!

　　目標(biāo)

　　簡單說，F(xiàn)abricPath是Cisco Nexus交換機(jī)上的一項技術(shù)特性，其目標(biāo)是在保證二層環(huán)境的前提下，修復(fù)前文所說的缺陷，這個技術(shù)需要做到以下幾點：

　　實現(xiàn)兩點間多條路徑同時轉(zhuǎn)發(fā)流量EMCP(Equal Cost Multi Pathing);

　　類似IP網(wǎng)絡(luò)的平滑擴(kuò)展;

　　快速收斂;

　　防止廣播風(fēng)暴;

　　保持原有二層網(wǎng)絡(luò)配置的簡潔性

　　更準(zhǔn)確地說，我們要擺脫傳統(tǒng)二層“交換”的弊端，在二層環(huán)境中實現(xiàn)類似三層IP的“路由”行為。

　　二、FabricPath：從“交換”到“路由”

　　L2不給力的原因

　　我們知道FabricPath的目標(biāo)是為傳統(tǒng)二層環(huán)境設(shè)計一個增強型方案，以屏蔽原來的缺陷，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)幀的“路由”轉(zhuǎn)發(fā)。要明白FabricPath是怎么做到這點的，首先要看看layer 2這些不給力的毛病到底是怎么出來的?

　　傳統(tǒng)二層以太網(wǎng)環(huán)境中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)是非常簡單的，一臺二層交換機(jī)一輩子干的活可以用以下幾句話概括：

　　1)收到數(shù)據(jù)幀–>2)查看目的地址–>3)查看MAC地址表–>4)將數(shù)據(jù)幀從對應(yīng)端口送出去

　　偶爾，當(dāng)這個流程進(jìn)行到第三步時，交換機(jī)會發(fā)現(xiàn)目的地址不在自己的MAC地址表中，它會怎么做呢?這臺茫然的交換機(jī)就會將這個數(shù)據(jù)幀從所有的端口廣播出去!沒錯，是整個幀從所有端口發(fā)送出去，希望其他交換機(jī)能知道正確目的地。且不說，這個方式在今天看來是多沒有效率，當(dāng)設(shè)備之間存在環(huán)路時，這種幀會被無盡地轉(zhuǎn)發(fā)下去，最終形成廣播風(fēng)暴。

　　為了解決這個問題，交換機(jī)廠商引入了STP。STP的機(jī)制也極其簡單，就是通過阻斷二層端口來防止環(huán)路，并阻止數(shù)據(jù)幀從其接收到的端口再轉(zhuǎn)發(fā)出去。

　　廣播幀在任意節(jié)點只會被轉(zhuǎn)發(fā)一次，避免了被永遠(yuǎn)轉(zhuǎn)發(fā)下去。但如前所述，運行STP的代價是非常昂貴的，接入設(shè)備只有一條上聯(lián)鏈路沒被block，而且，在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)連接中，控制STP的行為變得很困難，一旦出現(xiàn)震蕩，其收斂效率也非常低下。

　　另一方面，二層交換機(jī)通過學(xué)習(xí)接收到的數(shù)據(jù)幀的源地址建立MAC地址表，所有接收到的數(shù)據(jù)幀源地址都會被放進(jìn)MAC地址表中，導(dǎo)致一臺交換機(jī)可能學(xué)習(xí)到整個網(wǎng)段內(nèi)的所有二層地址，就算它大部分時間只跟其中的一小部分有聯(lián)系。

　　既然二層網(wǎng)絡(luò)的問題是控制平面的缺失，F(xiàn)abricPath的思路就清晰了，那就是重塑一個控制平面。

　　為了能夠高效地支持?jǐn)?shù)據(jù)中心擴(kuò)展，這個新的控制平面需要具備幾個基本功能，包括：主動建立鄰居關(guān)系，并基于鏈路狀態(tài)維護(hù)一個路由數(shù)據(jù)庫，支持等價路由

　　支持靈活的尋址方式，保留原有二層網(wǎng)絡(luò)配置簡單的風(fēng)格。

　　為了構(gòu)建這樣一個控制平面，F(xiàn)abricPath主要做了以下兩件事：

　　1)新增一個二層幀頭

　　2)增加一套簡化的IS-IS路由協(xié)議

　　這個新的幀頭添加在原有數(shù)據(jù)幀之外，包含了豐富的信息，其中最重要的三個字段是源地址、目的地址和TTL。

　　源地址和目的地址來自FabricPath新定義的一個名為switch ID的全新地址空間，任何一個新加入FabricPath網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備都會被分配一個1~4094之間的整數(shù)，作為唯一的switch ID，用于標(biāo)識一臺交換機(jī)的身份，也是節(jié)點之間進(jìn)行路由尋址的依據(jù)。

　　TTL(Time To Live)字段定義了一個數(shù)據(jù)幀的最長生存周期。當(dāng)生成一個數(shù)據(jù)幀時，其TTL字段被寫入一個整數(shù)，每當(dāng)其經(jīng)過一臺交換設(shè)備TTL就減一，直到TTL為零時，這個幀將被丟棄。TTL的概念是TCP/IP的基礎(chǔ)之一，在FabricPath中，TTL承擔(dān)了同樣的任務(wù)，保證數(shù)據(jù)幀不會在成環(huán)的鏈路中被無限次轉(zhuǎn)發(fā)，從而使得二層環(huán)境不再需要運行STP協(xié)議，不再有鏈路被Block，這是實現(xiàn)兩點之間多路徑轉(zhuǎn)發(fā)的基礎(chǔ)。

　　相較幀結(jié)構(gòu)的變化，F(xiàn)abricPath更重要的改進(jìn)在于引入IS-IS這樣一套完整的路由協(xié)議。IS-IS是一個廣泛運行于運營商等大型網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，同OSPF類似，IS-IS也是一個鏈路狀態(tài)協(xié)議，會維護(hù)一個鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，相比MAC尋址這樣的距離矢量行為，運行鏈路狀態(tài)協(xié)議的設(shè)備能夠在內(nèi)存中建立一張包含全網(wǎng)設(shè)備的拓?fù)?，并且在這個拓?fù)涞幕A(chǔ)上挑選當(dāng)前鏈路狀態(tài)下的最短路徑來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。IS-IS的效率很高，且IS-IS區(qū)域能平滑地平移、分割、合并，但相較OSPF最大的不同在于，IS-IS可以封裝在鏈路層報文中支持多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，而OSPF只能封裝在IP包中支持IP協(xié)議，這就使得IS-IS能夠很容易被移植到FabricPath中，為二層數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)提供路由服務(wù)。

　　FabricPath中實際運行的是一個簡化版本的IS-IS協(xié)議，不再依賴MAC地址進(jìn)行尋址，依靠交換機(jī)的switch ID工作，在節(jié)點之間交換IS-IS信令構(gòu)建路由表，IS-IS協(xié)議會事先計算出最優(yōu)路徑作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的依據(jù)。有了IS-IS的助陣，F(xiàn)abricPath能夠輕松地實現(xiàn)兩點之間的ECMP、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目焖偈諗?、以及快速的錯誤診斷等高級路由功能。

　　新的地址空間加上IS-IS協(xié)議，F(xiàn)abricPath基本建立起一個控制平面雛形，數(shù)據(jù)平面和控制平面各司其職。如果你是個較真的同學(xué)，你的第一個問題該出現(xiàn)了，為什么不延用原有的MAC地址，而要興師動眾地加入一套新地址呢?問得好!

　　FabricPath中的IS-IS協(xié)議會建立一套邏輯樹結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)說明了任意兩點間的最優(yōu)路徑，是交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的依據(jù)。路由協(xié)議在計算邏輯樹的過程中往往會用到設(shè)備的標(biāo)識號，由于MAC地址在設(shè)備出廠時就固定了，不同設(shè)備之間的地址沒有任何規(guī)律，如果使用MAC地址作為唯一標(biāo)識，生成的將是一個隨機(jī)結(jié)構(gòu)，這有可能導(dǎo)致最終的轉(zhuǎn)發(fā)路徑不是當(dāng)前的最優(yōu)路徑。由于路由協(xié)議的算法是寫死的，要避免這種情況只能人工調(diào)整各個節(jié)點的標(biāo)識大小，這種情況同部署STP時調(diào)整交換機(jī)的優(yōu)先級，以保證最優(yōu)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑是一個道理。然而，F(xiàn)abricPath設(shè)計的初衷就是保留二層配置簡潔的優(yōu)勢，如果將STP的老毛病一并帶過來，無疑大大削弱了對客戶的吸引力，不利于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)向FabricPath的遷移。

　　既然是從頭設(shè)計一套全新的機(jī)制，不如追求一把極致，將所有復(fù)雜的工作都隱藏到幕后，只呈現(xiàn)給用戶最簡潔的一面，這就是FabricPath費盡苦心設(shè)計一套地址空間的出發(fā)點。

　　FabricPath的工作模式

　　數(shù)據(jù)幀在進(jìn)入FabricPath網(wǎng)絡(luò)時，會被打上新幀頭，在FabricPath網(wǎng)絡(luò)內(nèi)根據(jù)幀頭里的switch ID進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，離開Fabric Path網(wǎng)絡(luò)時，脫去幀頭，進(jìn)入傳統(tǒng)的以太網(wǎng)交換環(huán)境。要加入FabricPath網(wǎng)絡(luò)，只需在交換機(jī)對應(yīng)端口上啟用FabricPath模式即可，所有的地址分配和路由策略都自動生成，無需繁瑣的配置。

　　匯聚設(shè)備同接入設(shè)備之間為FabricPath網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)abricPath網(wǎng)絡(luò)內(nèi)沒有運行STP，多條鏈路都能夠轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，目前版本的FabricPath支持16條等價路由，也就是說在使用萬兆鏈路的情況下，任意兩點間的帶寬可到2.56Tbps(16條等價鏈路結(jié)合，每條等價鏈路為16個萬兆portchannel)。

　　接入設(shè)備作為網(wǎng)關(guān)連接了傳統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)同F(xiàn)abricPath網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)abricPath網(wǎng)關(guān)上可以進(jìn)行“基于會話的MAC地址學(xué)習(xí)”，只有那些目的地址為本地設(shè)備的數(shù)據(jù)幀的源地址會被放入網(wǎng)關(guān)的MAC地址表，其他數(shù)據(jù)幀的源地址以及廣播幀的源地址都不會被學(xué)習(xí)，這就保證了邊緣網(wǎng)關(guān)設(shè)備的MAC地址表里只保存與本地有會話關(guān)系的MAC地址，這個舉措能夠大大縮小虛擬化數(shù)據(jù)中心內(nèi)接入設(shè)備的MAC地址表體積。

　　基于IS-IS的特性，F(xiàn)abricPath網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的switch ID可以動態(tài)修改，而不影響流量轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)數(shù)據(jù)中心規(guī)模不斷擴(kuò)張時，可以利用FabricPath平滑地擴(kuò)展其匯聚層，并在接入設(shè)備間實現(xiàn)高達(dá)16條二層多路徑(ECMP)。

　　第二個問題

　　OK，這一切都看上去很美，但你有沒有覺得哪里不對勁?這就是我對FabricPath的第二個問題，以上說的所有這些東西，新增幀頭啦、新的選路機(jī)制啦，和VPN不是差不多嗎?在今天這個技術(shù)過剩的時代，難道找不出一個能解決這些問題的現(xiàn)有技術(shù)，非要重新折騰出一套新玩意嗎?

　　現(xiàn)有VPN技術(shù)種類繁多，但大多數(shù)都使用IP包承載，協(xié)議開銷較大，這與二層具備的快速轉(zhuǎn)發(fā)特性是背道而馳的，僅此一項就將IPSec等三層VPN技術(shù)屏蔽在可選項之外。剩下的二層VPN中最常見的是類似MPLS+VPLS的實現(xiàn)方式，MPLS是一個2.5層技術(shù)，專門用于大量數(shù)據(jù)的快速轉(zhuǎn)發(fā)，但問題是，MPLS的控制平面仍然需要IP報文進(jìn)行路由，每個節(jié)點仍需要進(jìn)行IP配置，而部署一個MPLS+VPLS網(wǎng)絡(luò)你覺得容易嗎?反正我看著都覺得頭大，如果一種局域網(wǎng)技術(shù)需要網(wǎng)管人員先學(xué)習(xí)一遍MPLS，我覺得這種技術(shù)基本也沒啥戲可演了。

　　標(biāo)準(zhǔn)化

　　FabricPath是Cisco近期在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域最重要的一個發(fā)布，同時也預(yù)示著基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)向下一代模型轉(zhuǎn)型的開始。數(shù)據(jù)中心內(nèi)不斷增長的橫向流量推動了二層多路徑技術(shù)的迅速發(fā)展，F(xiàn)abricPath是這股潮流的重要組成部分，但Cisco不是唯一的聲音。

　　目前致力于實現(xiàn)二層多路徑的標(biāo)準(zhǔn)化組織主要有IETF和IEEE，兩家的標(biāo)準(zhǔn)分別為TRILL和802.1aq，都采用IS-IS作為路由協(xié)議，實現(xiàn)方式大同小異。目前，TRILL和802.1aq都已接近完成，預(yù)計2011年底就能夠正式標(biāo)準(zhǔn)化。

　　Cisco在TRILL的制定過程中參與極深，雖然FabricPath是Cisco的私有解決方案，但可以看作一個“增強版的TRILL”，是TRILL的基本功能加上“基于會話的MAC地址學(xué)習(xí)”、“Vpc+”和“多重拓?fù)?#8221;等高級功能的合集。