VM及其遷移驅(qū)動(dòng)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(kuò)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(gè)棘手問題。同時(shí)，現(xiàn)代大數(shù)據(jù)中心對(duì)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(tái)服務(wù)器的規(guī)模已是互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心現(xiàn)實(shí)中的普遍需求。端口擴(kuò)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(shí)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行異構(gòu)擴(kuò)展，即在形成一臺(tái)邏輯虛擬設(shè)備的基礎(chǔ)上，把一臺(tái)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(kuò)展I/O端口能力和進(jìn)行集中控制管理的目的。為敘述方便，后文會(huì)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(jìn)行對(duì)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(shí)不為也”的狀態(tài)。

對(duì)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(kuò)展設(shè)備，即端口擴(kuò)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(jí)，處于“非不為也，實(shí)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)湫问剑挥疫吺强蚴皆O(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(duì)比CB由IRF堆疊組成。

一般來說，對(duì)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(duì)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(diǎn)、跨設(shè)備聚合以及即插即用等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)加強(qiáng)了縱向端口擴(kuò)展能力。

1 VCF技術(shù)機(jī)制

對(duì)VCF來說，CB角色可以由處理能力較強(qiáng)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(shí)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。#p#

1. 拓?fù)涔芾?/p>

圖2中CB角色是一個(gè)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(gè)邏輯概念，可以是一個(gè)物理端口或者多個(gè)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。

PE根據(jù)組網(wǎng)需要可以連到一臺(tái)或多臺(tái)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(gè)堆疊，對(duì)外是一臺(tái)設(shè)備，一個(gè)管理點(diǎn)。

整個(gè)拓?fù)浣▋蓚€(gè)方面：一方面是多臺(tái)CB設(shè)備依據(jù)IRF相關(guān)規(guī)則和拓?fù)溆?jì)算建立橫向堆疊；另一方面是CB通過縱向 Fabric口向外發(fā)送HELLO報(bào)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：

***步，完成擴(kuò)展板編號(hào)（Slot-ID）的分配和獲取。CB上VCF Fabric口使能后會(huì)周期性地發(fā)送探測報(bào)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(qǐng)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(gè)子過程。這其中，Bootware（類似于個(gè)人電腦上的BIOS）和App（即主機(jī)軟件）的加載實(shí)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(cè)。

***，CB向PE下發(fā)配置信息。

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(gè)物理線路組成，邏輯上可采用HASH方式來實(shí)現(xiàn)。這樣一條鏈路Down，不會(huì)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(huì)重新進(jìn)行HASH計(jì)算并分配到剩余鏈路上（如圖4所示）。

3. PE管理

橫向配置、Master選舉以及整個(gè)堆疊建立和維護(hù)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(duì)復(fù)雜一些，但本質(zhì)上所有CB和PE形成一個(gè)單一的邏輯實(shí)體，可以通過任何一臺(tái)CB上的用戶管理接口，如Console口、Telnet或者網(wǎng)管口來進(jìn)行配置和管理。

IRF（橫向）系統(tǒng)使用成員編號(hào)（Member-ID）來標(biāo)識(shí)和管理成員設(shè)備，在一個(gè)IRF中所有設(shè)備的成員編號(hào)是唯一的。成員編號(hào)被引入到端口編號(hào)中，便于用戶配置和識(shí)別成員設(shè)備上的接口。類似地，在VCF（縱向）中，系統(tǒng)使用擴(kuò)展板編號(hào)（Slot -ID）來標(biāo)識(shí)和管理縱向擴(kuò)展設(shè)備，在整個(gè) 系統(tǒng)中擴(kuò)展板編號(hào)也是唯一的且同樣被引入到端口編號(hào)中。如果CB是框式設(shè)備，這個(gè)編號(hào)也絕對(duì)不能與框式設(shè)備上已有接口板（LPU）的編號(hào)重復(fù)。在使用上兩者機(jī)制稍有區(qū)別，成員編號(hào)（Member-ID）需要設(shè)備重啟才能生效；而擴(kuò)展板編號(hào)（Slot -ID）在CB上配置后可立即生效。#p#

PE加入。當(dāng)VCF系統(tǒng)有新的成員設(shè)備加入時(shí)，會(huì)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(shí)PE以缺省出廠配置可即插即用。正常運(yùn)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(dòng)恢復(fù)。（2）運(yùn)行過程中，PE可以通過縱向 Fabric口隨時(shí)接入系統(tǒng)，CB會(huì)自動(dòng)計(jì)算拓?fù)湟苑乐剐碌腜E接入時(shí)產(chǎn)生環(huán)路。從虛擬化的角度來看，這個(gè)過程相當(dāng)于框式設(shè)備的接口板插入。當(dāng)然，由于此時(shí)的“背板”鏈接是動(dòng)態(tài)端口，需要進(jìn)行拓?fù)溆?jì)算以阻斷環(huán)路；而實(shí)際的框式設(shè)備在初始化時(shí)已經(jīng)完成了這一動(dòng)作。

PE離開。PE離開相對(duì)來說簡單一些，當(dāng)CB與PE鏈接電纜拔出或者對(duì)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(shí)，橫向CB通過IRF互聯(lián)形成的虛擬設(shè)備相當(dāng)于一臺(tái)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。

5. 框式設(shè)備作為CB

框式設(shè)備充當(dāng)CB并下掛PE時(shí)，對(duì)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(tái)框式分布式設(shè)備，此時(shí)該虛擬框式設(shè)備擁有更多的主控板和接口板；對(duì)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(shí)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(duì)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）。

2 VCF系統(tǒng)管理

上文已提到整個(gè) Fabric系統(tǒng)可作為一個(gè)邏輯實(shí)體，通過一個(gè)IP進(jìn)行管理。但是系統(tǒng)層面如何進(jìn)行軟件版本管理，如何進(jìn)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(shí)候會(huì)比較版本，最終所有成員都會(huì)統(tǒng)一于Master的版本。對(duì)VCF來說， PE在加入堆疊時(shí)，從CB下載版本；當(dāng)CB是IRF堆疊時(shí)，無論P(yáng)E是否直接與Master相連，都會(huì)從Master獲取版本。因此，從結(jié)果看，整個(gè)堆疊系統(tǒng)版本都會(huì)與Master統(tǒng)一。橫向堆疊Slave獲取的版本與Master自身運(yùn)行的版本是同步的；縱向 Fabric各PE獲取的是適合PE運(yùn)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(shí)際上在CB（或Master）上有兩個(gè)不同功能用途的軟件包，系統(tǒng)啟動(dòng)或運(yùn)行過程中會(huì)自適應(yīng)各取所需。#p#

配置管理。整個(gè) Fabric系統(tǒng)作為一個(gè)邏輯實(shí)體進(jìn)行管理時(shí)，可通過IRF成員如Master或Slave的Console等進(jìn)行配置；一般來說，PE不提供Console等配置口。對(duì)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(shí)便可通過CB對(duì)PE進(jìn)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(duì)應(yīng)配置信息保存在CB上。當(dāng)系統(tǒng)重啟或者更換PE時(shí)，PE對(duì)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(shí)際框式設(shè)備通過熱插拔來實(shí)現(xiàn)即插即用，為了實(shí)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。

3 VCF上層控制協(xié)議

VCF側(cè)重對(duì)CB設(shè)備進(jìn)行I/O端口擴(kuò)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(shí)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(duì)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(duì)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(gè)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。縱向 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(shí)現(xiàn)和優(yōu)點(diǎn)。例如對(duì)三層報(bào)文TTL跳數(shù)仍只加1；支持跨PE聚合等。

4 VCF轉(zhuǎn)發(fā)平面實(shí)現(xiàn)

一般來說，VCF中CB設(shè)備相對(duì)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(kuò)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(bào)文的目的進(jìn)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(kuò)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(bào)文直接重定向到CB設(shè)備。CB設(shè)備收到業(yè)務(wù)報(bào)文后，從其中提取擴(kuò)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(bào)文需要單播到PE的某UNI端口，CB設(shè)備在完成業(yè)務(wù)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)決策和必要的報(bào)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(bào)文后，從其中直接提取出端口等完成業(yè)務(wù)報(bào)文的發(fā)送。

VCF組播轉(zhuǎn)發(fā)

上行方向，即從PE向CB的報(bào)文流程同前文單播一致。下行方向，對(duì)于需要組播（廣播處理過程同組播）的業(yè)務(wù)報(bào)文，CB設(shè)備會(huì)為每個(gè)PE設(shè)備拷貝一份業(yè)務(wù)報(bào)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(bào)文后，如果是廣播報(bào)文，則在對(duì)應(yīng)的VLAN內(nèi)廣播業(yè)務(wù)報(bào)文；如果是組播報(bào)文，則按照組播索引查找對(duì)應(yīng)的UNI端口列表復(fù)制并發(fā)送業(yè)務(wù)報(bào)文。

VCF多互聯(lián)鏈路選路機(jī)制

一般來說，CB設(shè)備和PE之間會(huì)配置多個(gè)互聯(lián)鏈路，而且IRF橫向堆疊作為CB設(shè)備時(shí)，多個(gè)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(shí)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。#p#

CB設(shè)備到PE設(shè)備的下行選路，對(duì)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(gè)IRF成員上，則IRF選擇到PE的最短路徑。如果單個(gè)IRF成員與某PE有多條互聯(lián)鏈路，則在該IRF成員上進(jìn)行聚合HASH選路。這一原則的出發(fā)點(diǎn)在于，盡可能減少對(duì)IRF本身堆疊鏈路的帶寬占用。對(duì)于組播，只選擇一個(gè)互聯(lián)鏈路發(fā)送一份組播拷貝，當(dāng)同一PE下有多個(gè)用戶時(shí)，實(shí)際復(fù)制工作在PE進(jìn)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。

5 VCF架構(gòu)的特點(diǎn)

VCF部署中的多級(jí)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(jì)提供豐富的選擇。同時(shí)，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(jí)的可靠性。

VCF技術(shù)的高可擴(kuò)展性

VCF中CB可通過IRF橫向堆疊建立，即可由多臺(tái)設(shè)備組成。例如H3C框式高端設(shè)備最多可構(gòu)建4臺(tái)設(shè)備組成的IRF堆疊，這些設(shè)備充當(dāng)CB角色時(shí)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(kuò)展性。這一優(yōu)勢(shì)能更好地支持企業(yè)或云服務(wù)運(yùn)營商根據(jù)自身業(yè)務(wù)發(fā)展規(guī)模進(jìn)行IT設(shè)施的平滑擴(kuò)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(hù)用戶投資

H3C的PE設(shè)備支持兩種運(yùn)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(jìn)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(dòng)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(jìn)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(hù)了用戶投資。

6 總結(jié)

IT基礎(chǔ)設(shè)施虛擬化既是當(dāng)前熱點(diǎn)，也是今后一段時(shí)期的趨勢(shì)。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(kuò)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。