网络虚拟化IRF2技术架构

　　虚拟化技术是当前企业IT技术领域的关注焦点，采用虚拟化来优化IT架构、提升IT系统运行效率是当前技术发展的方向。

　　对于服务器或应用的虚拟化架构，IT行业相对比较熟悉：在服务器上采用虚拟化软件运行多台虚拟机(VM---Virtual Machine)，以提升物理资源利用效率，可视为1:N的虚拟化;另一方面，将多台物理服务器整合起来，对外提供更为强大的处理性能(如负载均衡集群)，可视为N:1的虚拟化。

　　对于基础网络来说，虚拟化技术也有相同的体现：在一套物理网络上采用VPN或VRF技术划分出多个相互隔离的逻辑网络，是1:N的虚拟化;将多个物理网络设备整合成一台逻辑设备，简化网络架构，是N:1虚拟化。H3C 虚拟化技术IRF2属于N:1整合型虚拟化技术范畴。

　　1 H3C IRF2虚拟化技术解析

　　1.1 IRF2技术概要

　　IRF2源自早期的堆叠技术，H3C或称为IRF1。

　　IRF1堆叠就是将多台盒式设备通过堆叠口连接起来形成一台虚拟的逻辑设备。用户对这台虚拟设备进行管理，来实现对堆叠中的所有设备的管理。这种虚拟设备既具有盒式设备的低成本优点，又具有框式分布式设备的扩展性以及高可靠性优点，早期在H3C S3600/S5600上提供此类解决方案。

　　IRF2既支持对盒式设备的堆叠虚拟化，同时支持H3C同系列框式设备的虚拟化(如图1所示)：包括S12500，S9500E，S7500E，S5800，S5500，S5120EI各系列内的IRF2虚拟化整合,。

图1 基于IRF22 的虚拟化

　　IRF2技术的软件体系架构如图2所示。IRF2虚拟化功能模拟出虚拟的设备，设备管理同时管理IRF2的虚拟设备与真实的物理设备，屏蔽其差异。而对于运行在此系统上的上层应用软件来说，通过设备管理层的屏蔽，已经消除了IRF2系统中不同设备物理上的差异，因此，对于单一运行的物理设备或IRF2虚拟出来的设备，上层软件都不需要做任何的修改，并且对于上层软件系统新增的功能，可同步应用于所有硬件设备。

　　IRF2虚拟化模块：自动进行IRF2系统的拓扑收集、角色选举，并将设备组虚拟成单一的逻辑设备，上层软件所见只是一台设备;

　　硬件系统：IRF2组内的硬件设备及组件;

　　设备管理层：提供对线卡、接口等各种设备资源的管理。这里的设备包括对硬件的抽象，也包括通过IRF2虚拟化发现的逻辑设备;

　　系统管理与上层应用模块：运行在IRF2系统上的所有管理、控制程序，包括各种路由协议模块、链路层协议模块等。

图2 IRF2基本软件架构

　　IRF2IRF2IRF2IRF2

　　IRF2作为通用的虚拟化技术平台，对不同形态产品的采用相同技术架构实现，便于整网运行特征一致性、升级能力一致性。

　　1.2 IRF2的系统管理

　　拓扑管理

　　设备上用于IRF2连接的物理端口被称为IRF2端口，它是一种逻辑接口。一个IRF2端口可能对应一个物理端口，也可能由多个物理端口聚合而成(称为聚合IRF2互联口)，以达到增强带宽和链路备份的作用。IRF2物理端口之间可以使用专用线缆也可以使用光纤连接：专用线缆可提供更高带宽和较短的连接距离，光纤可提供远距的IRF2虚拟化能力。

　　如图4所示，IRF2系统连接拓扑有两种：链形连接和环形连接。

图3 IRF2的主要连接拓扑

　　IRF2系统中的各台设备通过与直接相邻的其它成员交互HELLO报文来收集整个IRF2系统的拓扑关系。HELLO报文会携带拓扑信息，包括连接关系、成员设备编号、成员设备优先级、成员设备的桥MAC等内容。

　　IRF2成员设备在本地记录自己已知的拓扑信息，拓扑信息通过IRF2互联端口传递，经过一段时间的收集，所有设备上都会收集到完整的拓扑信息(称为拓扑收敛)。此时会进入角色选举阶段，确定成员为Master或者Slave。

　　角色选举会在拓扑发生变化的情况下产生，比如：IRF2建立、新设备加入、IRF2分裂或者两个IRF2系统合并。角色选举规则如下(按规则次序判断，直到找到唯一的最优成员，才停止选举。此最优成员即为IRF2系统的Master设备，其它设备则均为Slave设备)：

　　1、当前Master优于非Master成员;

　　2、当成员设备均是框式分布式设备时，本地主用主控板优于本地备用主控板;

　　3、当成员设备均是框式分布式设备时，原Master的备用主控板优于非Master成员上的主控板;

　　4、成员优先级大的优先;

　　5、系统运行时间长的优先;

　　6、成员桥MAC小的优先。

　　角色选举阶段Master还会负责成员编号冲突处理、软件版本加载、IRF2合并管理等工作。拓扑与角色选举处理成功后，IRF2系统才能形成和正常运行。

　　成员管理

　　通过IRF2连接形成的虚拟设备在管理上可以看作是单一实体，用户使用Console口或者Telnet方式登录到IRF2中任意一台成员设备，都可以对整个IRF2系统进行管理和配置。

　　Master设备作为IRF2系统的管理中枢，负责响应用户的登录请求，即用户无论使用什么方式，通过哪个成员设备登录IRF2，最终都是通过Master设备进行配置，这种方式可以使IRF2内所有设备的配置保持高度统一。

　　IRF2系统使用成员编号(Member ID)来标志和管理成员设备，IRF2中所有设备的成员编号都是唯一的。成员编号被引入到端口编号中，便于用户配置和识别成员设备上的接口。

　　成员设备加入。IRF2系统当发现有新的成员设备加入时，会根据新加入设备的状态采取不同的处理：新加入的设备本身未形成IRF2(如：新成员是新上电，但IRF2已经配置和电缆连接)，则该设备会被选为Slave;加入的设备本身已经形成了IRF2运行结构(如：新成员已经在IRF2状态下工作，使用IRF2电缆连接到已有IRF2系统)，此时相当于两个IRF2合并(merge)，两个系统会进行竞选，竞选失败的一方所有IRF2成员设备需要重启(冗余的网络结构设计已经保证了网络业务承载的不中断性)，然后全部作为Slave设备加入竞选获胜的一方。

　　成员设备离开。正常情况下，直接相邻的IRF2成员设备之间周期性交换HELLO报文。如果持续10周期未收到直接邻居的HELLO报文，则认为该成员设备已经离开IRF2系统，IRF2系统会将该成员设备从拓扑中隔离出来。如果发现IRF2互联端口Down，则拥有该端口的成员设备会紧急广播通知其它成员，立即重新计算当前拓扑，而不用等到HELLO报文超时再处理。

　　如果离开的是Slave设备，则系统仅仅相当于失去一个备用主控板以及此板上的接口等物理资源;如果离开的是Master设备，则IRF2系统会重新进行选举，选举出的新Master接管原有Master的所有功能。

　　单台设备离开IRF2系统后会回到独立运行状态，相连的多台设备离开IRF2系统后会形成独立的两个IRF2系统，这种情况称为分裂。

　　盒式设备IRF2互联形成的虚拟设备相当于一台框式分布式设备，IRF2互联电缆模拟了交换背板，IRF2中的Master相当于虚拟设备的主用主控板，Slave设备相当于备用主控板(同时担任接口板的角色)，如图4所示。

图4 盒式设备虚拟化成框式设备

　　框式分布式设备IRF2互联后形成的虚拟设备也相当于一台框式分布式设备，但该虚拟的框式分布式设备拥有更多的备用主控板和接口板。IRF2中的Master的主用主控板相当于虚拟设备的主用主控板，Master的备用主控板以及Slave的主用、备用主控板均相当于虚拟设备的备用主控板(同时担任接口板的角色)，如图5所示。

图5 多框设备虚拟化成更高密度逻辑单框设备

　　软件管理

　　IRF2具有自动加载功能。新设备加入时，会与Master设备的软件版本号进行比较，如果不一致，则自动从Master设备下载系统启动文件，然后使用新的启动文件重启，重新加入IRF2系统。

　　虚拟化技术是当前企业IT技术领域的关注焦点，采用虚拟化来优化IT架构、提升IT系统运行效率是当前技术发展的方向。

　　1.3 IRF2对上层控制协议的支撑

　　IRF2的基本虚拟化思想是将多台设备合并成单台高密逻辑框式设备，因此系统内有多块主控，如何处理好Master主控与众多Slave主控的关系，成为IRF2支撑上层协议处理的关键。

　　IRF2系统采用的是1:N冗余，即Master负责处理业务，Slave作为Master的备份，随时与Master保持同步。当Master工作异常时，IRF2系统将选择其中一台Slave成为新的Master，接替原Master继续管理和运营IRF2系统，不会对原有网络功能和业务造成影响，

　　IRF2协议热备份功能负责将各运行协议的配置信息以及支撑协议运行的数据(比如状态机或者会话表项等)同步到其它所有成员设备，与单框设备的双引擎工作方式相似，从而使得IRF2系统能够作为一台独立的设备在网络中运行。

　　以路由协议为例，如图6所示，IRF2系统与外部网络使用的OSPF路由协议。当Master收到邻居路由器发送过来的Update报文时，一方面它会更新本地的路由表，同时它会立即将更新的路由表项以及协议状态信息发给其它所有成员设备，其它成员设备收到后会立即更新本地的路由表及协议状态，以保证IRF2系统中各个物理设备上路由相关信息的严格同步。当Slave收到邻居路由器发送过来的Update报文时，Slave设备会将该报文交给Master处理。

图6 IRF2的协议处理

　　当Master故障时，新选举的Master可以在GR环境下无缝的接手系统运行的工作，新的Master接收到邻居路由器过来的OSPF报文后，会将更新的路由表项以及协议状态信息发给其它所有成员设备，并不会影响IRF2中数据转发。这样就保证了当成员设备出现故障的时候，其它成员设备可以照常运行并接管故障的物理设备功能，此时，域内路由协议不会随之出现中断，二三层转发流量和业务也不会出现中断，IRF2系统的GR与单台设备的GR处理流程相同，从而实现了不中断业务的故障保护和设备切换功能。