为何需要大二层网络（上）

传统数据中心网络架构

在传统的大型数据中心，网络通常是三层结构：

接入层:接入交换机通常位于机架顶部，所以它们也被称为ToR交换机，它们物理连接服务器。

汇聚层:汇聚交换机连接Access交换机，同时提供其他的服务，例如防火墙，SSL offload，入侵检测，网络分析等。

核心层:核心交换机为进出数据中心的包提供高速的转发，为多个汇聚层提供连接性，核心交换机为通常为整个网络提供一个弹性的L3路由网络。

三层网络架构示意图如下所示：

通常情况下，汇聚交换机是L2和L3网络的分界点，汇聚交换机以下的是L2网络，以上是L3网络。每组汇聚交换机管理一个POD（Point Of Delivery），每个POD内都是独立的VLAN网络。服务器在POD内迁移不必修改IP地址和默认网关，因为一个POD对应一个L2广播域。汇聚交换机和接入交换机之间通常使用STP。STP使得对于一个VLAN网络只有一个汇聚层交换机可用。

为何需要大二层？

       随着云计算的发展，计算资源被池化，为了使得计算资源可以任意分配，需要一个大二层的网络架构。即整个数据中心网络都是一个L2广播域，这样，服务器可以在任意地点创建，迁移，而不需要对IP地址或者默认网关做修改。大二层网络架构，L2/L3分界在核心交换机，核心交换机以下，也就是整个数据中心，是L2网络（当然，可以包含多个VLAN，VLAN之间通过核心交换机做路由进行连通）。

       虚拟化技术能够有效地提高服务器的利用率，降低能源消耗，降低客户的运维成本，所以虚拟化技术得到了极大的发展。但是，虚拟化给数据中心带来的不仅是服务器利用率的提高，还有网络架构的变化。具体的来说，虚拟机动态迁移（如VMware的VMotion）在数据中心得到了广泛的应用。简单来说，虚拟机迁移技术可以使数据中心的计算资源得到灵活的调配，进一步提高虚拟机资源的利用率。但是虚拟机迁移要求虚拟机迁移前后的IP和MAC地址不变，这就需要虚拟机迁移前后的网络处于同一个二层域内部。由于客户要求虚拟机迁移的范围越来越大，甚至是跨越不同地域、不同机房之间的迁移，所以使得数据中心二层网络的范围越来越大。

传统二层为何大不起来？

      在数据中心网络中，“区域”对应VLAN的划分。相同VLAN内的终端属于同一广播域，具有一致的VLAN-ID，二层连通；不同VLAN内的终端需要通过网关互相访问，二层隔离，三层连通。传统的数据中心设计，区域和VLAN的划分粒度是比较细的，这主要取决于“需求”和“网络规模”。

传统的数据中心主要是依据功能进行区域划分，例如WEB、APP、DB，办公区、业务区、内联区、外联区等等。不同区域之间通过网关和安全设备互访，保证不同区域的可靠性、安全性。同时，不同区域由于具有不同的功能，因此需要相互访问数据时，只要终端之间能够通信即可，并不一定要求通信双方处于同一VLAN或二层网络。

       传统的数据中心网络技术，STP是二层网络中非常重要的一种协议。用户构建网络时，为了保证可靠性，通常会采用冗余设备和冗余链路，这样就不可避免的形成环路。而二层网络处于同一个广播域下，广播报文在环路中会反复持续传送，形成广播风暴，瞬间即可导致端口阻塞和设备瘫痪。因此，为了防止广播风暴，就必须防止形成环路。这样，既要防止形成环路，又要保证可靠性，就只能将冗余设备和冗余链路变成备份设备和备份链路。即冗余的设备端口和链路在正常情况下被阻塞掉，不参与数据报文的转发。只有当前转发的设备、端口、链路出现故障，导致网络不通的时候，冗余的设备端口和链路才会被打开，使得网络能够恢复正常。实现这些自动控制功能的就是STP。

由于STP的收敛性能等原因，一般情况下STP的网络规模不会超过100台交换机。同时由于STP需要阻塞掉冗余设备和链路，也降低了网络资源的带宽利用率并且STP协议几秒至几分钟的故障收敛时间，也不能满足数据中心的可靠性要求。因此在实际网络规划时，从转发性能、利用率、可靠性等方面考虑，会尽可能控制STP网络范围。

如何实现真正意义大二层？

     数据中心内：

大二层首先需要解决的是数据中心内部的网络扩展问题，通过大规模二层网络和VLAN延伸，实现虚拟机在数据中心内部的大范围迁移。由于数据中心内的大二层网络都要覆盖多个接入交换机和核心交换机，主要有以下两类技术。

虚拟交换机技术

二层网络的核心是环路问题，而环路问题是随着冗余设备和链路产生的，那么如果将相互冗余的两台或多台设备、两条或多条链路合并成一台设备和一条链路，就可以回到之前的单设备、单链路情况，环路自然也就不存在了。尤其是交换机技术的发展，虚拟交换机从低端盒式设备到高端框式设备都已经广泛应用，具备了相当的成熟度和稳定度。因此，虚拟交换机技术成为目前应用最广的大二层解决方案。

隧道技术

       隧道技术属于技术派，出发点是借船出海。二层网络不能有环路，冗余链路必须要阻塞掉，但三层网络显然不存在这个问题，而且还可以做ECMP（等价链路），能否借用过来呢？通过在二层报文前插入额外的帧头，并且采用路由计算的方式控制整网数据的转发，不仅可以在冗余链路下防止广播风暴，而且可以做ECMP。这样可以将二层网络的规模扩展到整张网络，而不会受核心交换机数量的限制。

       隧道技术的代表是TRILL、SPB，都是通过借用IS-IS路由协议的计算和转发模式，实现二层网络的大规模扩展。这些技术的特点是可以构建比虚拟交换机技术更大的超大规模二层网络（应用于大规模集群计算），但尚未完全成熟，目前正在标准化过程中。同时传统交换机不仅需要软件升级，还需要硬件支持。

       跨数据中心：

随着数据中心多中心的部署，虚拟机的跨数据中心迁移、灾备，跨数据中心业务负载分担等需求，使得二层网络的扩展不仅是在数据中心的边界为止，还需要考虑跨越数据中心机房的区域，延伸到同城备份中心、远程灾备中心。

一般情况下，多数据中心之间的连接是通过路由连通的，天然是一个三层网络。而要实现通过三层网络连接的两个二层网络互通，就必须实现“L2overL3”。

L2oL3技术也有许多种，例如传统的VPLS（MPLSL2VPN）技术，以及新兴的CiscoOTV、H3CEVI技术，都是借助隧道的方式，将二层数据报文封装在三层报文中，跨越中间的三层网络，实现两地二层数据的互通。这种隧道就像一个虚拟的桥，将多个数据中心的二层网络贯穿在一起。

另外，也有部分虚拟化和软件厂商提出了软件的L2overL3技术解决方案。例如VMware的VXLAN、微软的NVGRE，在虚拟化层的vSwitch中将二层数据封装在UDP、GRE报文中，在物理网络拓扑上构建一层虚拟化网络层，从而摆脱对网络设备层的二层、三层限制。这些技术由于性能、扩展性等问题，也没有得到广泛的使用。