數據中心TRILL（透明交換）技術白皮書

鏈接透明互聯TRILL協議為數據中心虛擬化（虛擬機+網絡）奠定基礎，可在數據中心內部高速網絡實現，也可以用于連接基于PPP鏈路的廣域網絡。

#交換機

發布時間：2011-11-21
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在傳統的數據中心服務器區網絡設計中，通常將二層網絡的范圍限制在網絡匯聚層以下，通過配置跨匯聚交換機的VLAN，可以將二層網絡擴展到多臺接入交換機，這種方案為服務器網絡接入層提供了靈活擴展能力。

近年來，服務器高可用集群技術和虛擬服務器動態遷移技術（如VMware的VMotion），在數據中心容災及計算資源調配方面得以廣泛應用，這兩種技術不僅要求在數據中心內實現大二層網絡接入，而且要求在數據中心間也實現大范圍二層網絡擴展。

1.1服務器遷移對數據中心網絡的要求

對數據中心進行擴建或搬遷時，需要將物理服務器從一個數據中心遷至另一個數據中心。在此過程中，考慮以下兩個因素，需要在數據中心間構建二層互聯網絡。

當服務器被遷至新機房，若未構建新老中心間的二層互聯網絡，則面臨重新規劃新中心服務器IP地址的問題。同時還需修改DNS，或修改客戶端應用程序配置的服務器IP。因此，構建跨中心的二層互聯網絡可保留被遷移服務器的IP地址，進而簡化遷移過程。

在服務器搬遷期間，經常在給定的時間內，只能將服務器群的一部分服務器遷至新中心，為保證業務連續性，需建立跨中心的服務器集群，因此構建跨越中心的二層互聯網絡可實現服務器平滑遷移。

與服務器搬遷類似的情況是“虛擬機遷移”。當前，一些服務器虛擬化軟件可實現在兩臺虛擬化的物理服務器之間對虛擬機做動態遷移，遷移至另一中心的虛擬機不僅保留原有IP地址，而且還保持遷移前的運行狀態（如TCP會話狀態），所以必須將涉及虛擬機遷移的物理服務器接入同一個二層網絡（虛擬機在遷移前后的網關不變），這種應用場景要求構建跨中心的二層互聯網絡。

1.2虛擬化云計算對數據中心網絡的要求

虛擬化計算技術已經逐步成為云計算服務的主要支撐技術，特別是在計算能力租賃、調度的云計算服務領域起著非常關鍵的作用。

在大規模計算資源集中的云計算數據中心，以X86架構為基準的不同服務器資源，通過虛擬化技術將整個數據中心的計算資源統一抽象出來，形成可以按一定粒度分配的計算資源池，如下圖所示。虛擬化后的資源池屏蔽了各種物理服務器的差異，形成了統一的、云內部標準化的邏輯CPU、邏輯內存、邏輯存儲空間、邏輯網絡接口，任何用戶使用的虛擬化資源在調度、供應、度量上都具有一致性。

虛擬化技術不僅消除大規模異構服務器的差異化，其形成的計算池可以具有強大的計算能力（如下圖所示），一個云計算中心物理服務器達到數萬臺是一個很正常的規模。一臺物理服務器上運行的虛擬機數量是動態變化的，當前一般是4到20，某些高密度的虛擬機可以達到100:1的虛擬比(即一臺物理服務器上運行100個虛擬機)，在CPU性能不斷增強(主頻提升、多核多路)、當前各種硬件虛擬化(CPU指令級虛擬化、內存虛擬化、橋片虛擬化、網卡虛擬化)的輔助下，物理服務器上運行的虛擬機數量會迅猛增加。一個大型IDC中運行數十萬個虛擬機是可預見的，當前的云服務IDC在業務規劃時，已經在考慮這些因素。

虛擬化的云中，計算資源能夠按需擴展、靈活調度部署，這由虛擬機的遷移功能實現，虛擬化環境的計算資源必須在二層網絡范圍內實現透明化遷移。

透明環境不僅限于數據中心內部，對于多個數據中心共同提供的云計算服務，要求云計算的網絡對數據中心內部、數據中心之間均實現透明化交換（如下圖所示），這種服務能力可以使客戶分布在云中的資源邏輯上相對集中(如在相同的一個或數個VLAN內)，而不必關心具體物理位置；對云服務供應商而言，透明化網絡可以在更大的范圍內優化計算資源的供應，提升云計算服務的運行效率、有效節省資源和成本。

1.3生成樹在數據中心的問題

對于存儲網絡已經開始利用FCoE（以太網光纖通道）等新技術將存儲傳輸和IP傳輸融合到以太網連接上，這需要一個大型的二層以及交換網絡。另外對于計算中心而言，集群計算越來越多地利用虛擬機技術來實現云計算，而利用三層網絡來構建的計算中心網絡存在諸多管理難題，典型的問題是虛擬機的遷移，這增大了計算中心管理成本，于是計算中心網絡越來越傾向于扁平化的網絡架構以便于維護管理，這也要求構建一個大型的二層交換網絡。

數據中心間二層互聯的關鍵 —— 端到端環路避免。在數據中心間實現二層網絡互聯時，為了提升整網高可用性，必須保證數據中心互聯鏈路冗余性，由此也帶來了一個問題——二層環路。因此需要防止由一個遠端數據中心的二層環路引起所有數據中心服務器接入網絡的故障。消除二層環路技術包括：在接入層網絡使能生成樹協議（STP）。

在構建二層網絡方面，原先的標準——生成樹協議（STP）因其一些固有缺陷將不再適合超大型數據中心的擴展。

STP在數據中心網絡應用中的缺陷表現為以下幾點：

1.STP是通過端口阻止來工作的，所有冗余的鏈路不進行數據轉發，該方式雖然解決了二層數據環路的問題，卻造成了帶寬資源的浪費，而數據中心因其巨大的數據通訊量，對帶寬資源的浪費是難以接受的。

2.STP整網只有一棵生成樹，其特點是所有結點交換機都只看到從它自身到達根橋的枝干，如果一臺橋設備要到達相鄰枝干上的橋設備，哪怕它們之間有直連的鏈路，數據報文都要經過根橋中轉后才能到達，這影響了整網的轉發效率，同時造成了根橋的轉發瓶頸，數據中心對數據轉發的低延遲需求會對此提出改進要求。

3.以太網數據幀是沒有TTL的，這會造成一旦數據在二層網絡中出現環路，會造成整個網絡立即癱瘓，尤其是廣播幀，這雖然不是STP協議的問題，但我們可歸其為STP網絡的問題。

4.當VLAN進行重配置的時候，STP（MSTP）會造成VLAN分隔，這對于數據中心網絡而言也是非常嚴重的問題，尤其是存儲網，因為存儲網對不間斷服務的要求很高。對云計算和數據中心網絡中，虛擬機遷移更是致命的。

1.4TRILL透明交換標準

TRILL正是因應了STP的這些缺陷而產生的，其目標正是解決上述STP存在的問題。TRILL是由IETF組織于2004年5月開始提出并成立工作組。

目前TRILL協議涉及如下RFC文檔：

draft-eastlake-trill-rbridge-dcb-00 TRILL 在802.1qbb,802.1qaz,802.1qau上的支持

draft-ietf-isis-trill-01 ISIS 協議針對TRILL的支持

draft-ietf-pppext-trill-protocol-01 TRILL 在ppp上的支持