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思科虛擬交換系統(tǒng)全面打破吞吐量紀錄

2008/03/14

　　虛擬技術，這一長久以來在服務器領域熱門的技術第一次在網(wǎng)絡基礎設備領域中綻放出絢麗的光彩。Cisco公司借助于虛擬技術和新一代的路由處理引擎，不僅將兩個其旗艦級路由交換設備Catalyst6500虛擬為一個網(wǎng)絡實體成倍地提高了數(shù)據(jù)交換路由能力，而且極大地提高了網(wǎng)絡的可靠性。

　　為了驗證Cisco公司新一代的虛擬交換系統(tǒng)(VSS)，NetworkWorld進行了其有史以來最大規(guī)模的性能測試，測試環(huán)境采用了高達130個萬兆以太網(wǎng)絡接口。

　　測試結(jié)果令人印象深刻，Cisco公司的虛擬交換系統(tǒng)(VSS)不僅將網(wǎng)絡設備故障時流量受影響的時間減少到以前的1／20，而且完全不需要采用原來網(wǎng)絡設計中常用的二層和三層冗余協(xié)議。

　　測試結(jié)果更加令人驚訝的是Cisco公司的虛擬交換系統(tǒng)(VSS)的吞吐量超過770Mpps，測試中路由轉(zhuǎn)發(fā)單播和組播流的數(shù)目高達56億個。

任何時刻，任何鏈路

　　長久以來，網(wǎng)絡設計者為了使網(wǎng)絡基礎設施能夠在各種故障的情況下盡可能地保持網(wǎng)絡的運行，他們通常采用在網(wǎng)絡的各個層次部署多條冗余／負載均衡鏈路和設備的設計方法，同時為了使這些冗余的設備和鏈路在出現(xiàn)故障時能夠及時地發(fā)揮作用，網(wǎng)絡設計者不得不同時使用為數(shù)眾多的，令人眼花繚亂的協(xié)議來應付故障情況，RSTP，HSRP和VRRP等協(xié)議都是我們常用的保護性協(xié)議。

　　這種保護協(xié)議控制冗余鏈路和設備的方式雖然可行，但是卻有眾多的不足之處，這些不足關鍵是由于目前絕大多數(shù)冗余保護性協(xié)議采用主／備工作方式，結(jié)果是網(wǎng)絡中雖然有多條鏈路但在平時只有一條鏈路負責數(shù)據(jù)的傳遞，其它的鏈路只有在主鏈路故障時才有可能負責數(shù)據(jù)的傳遞。網(wǎng)絡設備和鏈路的主／備工作方式使網(wǎng)絡的有效利用率只能達到50％，造成較大的浪費 。

　　進一步從其它角度考慮，在一般情況下路由設備的端口只需要一個IP地址，但VRRP和HSRP協(xié)議都要求在一個網(wǎng)段上預留三個IP地址，增加了管理負擔；同時RSTP雖然較STP在故障時的反映時間大大減少，但是RSTP的收斂時間仍然在秒級波動，結(jié)果往往是應用程序的性能小于原來的預期。嚴格來講，STP協(xié)議族的設計初衷是避免網(wǎng)絡中出現(xiàn)環(huán)路，并不是提供目前常被用來的冗余保護目的。

　　目前網(wǎng)絡冗余設計的另一個不足之處是網(wǎng)絡中被管理網(wǎng)元數(shù)目的成倍增加，不論網(wǎng)絡管理者采用何種方式來管理網(wǎng)絡設備，同樣的配置和策略的下發(fā)都需要重復至少兩次。

虛擬交換系統(tǒng)（VSS）

　　VSS技術的核心是Cisco公司最新發(fā)布的其旗艦級路由交換設備Catalyst6500的VS-Sup720-10G路由交換引擎，VS-Sup720-10G負責虛擬交換連接（VSL）的建立和管理，使虛擬交換系統(tǒng)對網(wǎng)絡中其它的節(jié)點呈現(xiàn)為單一設備（唯一的MAC地址，唯一的IPv4地址），對網(wǎng)絡管理者所有的端口都在一個網(wǎng)元中被管理。

　　在基于VSS技術的網(wǎng)絡設計中，為了在物理連接上提供冗余，任何一個接入層設備仍然需要連接到同一個VSS系統(tǒng)中的兩個不同設備上，但是由于VSS技術支持跨機箱的鏈路捆綁（MEC），在接入層設備看來它的鄰居仍然為一個物理設備。 跨機箱的鏈路捆綁（MEC）技術與用戶采用何種鏈路捆綁技術無關，MEC支持業(yè)界標準的802.1ad鏈路捆綁協(xié)議和Cisco公司擴展的PAgP協(xié)議。不論接入層設備和VSS設備之間采用何種鏈路捆綁協(xié)議，VSS設備和接入層設備之間都不需要運行任何的生成樹協(xié)議，在正常工作時，MEC中的任何鏈路都有數(shù)據(jù)通過。

　　服務器與VSS節(jié)點的連接也同樣可以享受到MEC技術的好處，服務器網(wǎng)卡捆綁技術（NIC Teaming）早已經(jīng)存在多年，服務器端不需要安裝任何的軟件，通過簡單的配置就可以和VSS節(jié)點跨機箱的鏈路捆綁連接。

　　在目前階段，任何兩個Cisco公司的Catalyst6500設備只要具備支持VSL協(xié)議的能力都可以組成虛擬交換系統(tǒng)（VSS），這時任何與該VSS系統(tǒng)相連接的設備都可以享受虛擬交換的好處； 根據(jù)網(wǎng)絡的需求虛擬交換系統(tǒng)（VSS）可以應用在網(wǎng)絡的任何層次，核心層，匯聚層和接入層。

　　Catalyst6500之間的每個VSL連接支持最多8個物理鏈路，構(gòu)成VSL的物理鏈路可以是VS-Sup720-10G上的任意10GE接口或是Cisco高密度10GE接口卡上的任意接口。 虛擬交換系統(tǒng)（VSS）要求設備中的用戶接口卡是6700系列，例如WS-X6724或WS-X6748千兆系列，WS-X6704或WS-X6708系列萬兆接口卡的任意組合。 在本次測試中我們并沒有驗證虛擬交換系統(tǒng)間VSL鏈路上的流量情況，但 Cisco表示在正常情況下， 虛擬交換系統(tǒng)間VSL鏈路上的流量大約為萬兆接口的5％。

　　到目前為止，VSL技術還是Cisco公司的專有技術，采用VSL技術使Cisco的設備與其它廠商的設備構(gòu)成虛擬交換系統(tǒng)還不可能。

業(yè)界目前最大規(guī)模的交換能力

　　為了考察虛擬交換系統(tǒng)的性能，在本次測試中我們集中驗證了交換結(jié)構(gòu)的吞吐量和延時，故障倒換時間和單播／組播混合流量通過虛擬交換系統(tǒng)的能力。

　　為了嘗試考量虛擬交換系統(tǒng)交換結(jié)構(gòu)的吞吐量和延時，我們構(gòu)建了一個簡單但是規(guī)模龐大的測試環(huán)境，思博倫公司（Spirent）的130個萬兆以太網(wǎng)測試儀接口分別連接到130個分布在兩個Cisco Catalyst6509設備上的萬兆以太網(wǎng)接口上，兩個Cisco Catalyst6509預先配置為一個虛擬交換系統(tǒng)。

　　這些測試產(chǎn)生了到目前為止我們在單一邏輯設備上所得到的最大的轉(zhuǎn)發(fā)性能，在64字節(jié)時，Cisco公司的虛擬交換系統(tǒng)每秒鐘轉(zhuǎn)發(fā)能力超過7億7千萬（770mpps）個數(shù)據(jù)包。我們同時還測試了在不構(gòu)成虛擬交換系統(tǒng)時，每個設備每秒鐘轉(zhuǎn)發(fā)了3億8千5百萬個數(shù)據(jù)包，虛擬交換系統(tǒng)的能力正好時單一設備的兩倍，測試結(jié)果證明虛擬交換系統(tǒng)在交換能力上并沒有因為交換結(jié)構(gòu)跨越物理設備而受到任何影響。

　　我們還同時驗證了在256字節(jié)（接近因特網(wǎng)上平均數(shù)據(jù)包長度）和1518字節(jié)（大部分生產(chǎn)網(wǎng)上最大數(shù)據(jù)包長度）時虛擬交換系統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)能力，我們得到的數(shù)值287Mpps和53Mpps都準確的為單一設備的兩倍。

　　在1518字節(jié)數(shù)據(jù)包長測試時我們得到的轉(zhuǎn)發(fā)能力結(jié)果大約相當于648Gbps，這個數(shù)值約為130個萬兆接口理論上數(shù)值的一半。虛擬交換系統(tǒng)性能受到限制的原因是虛擬交換技術雖然成倍地擴展了系統(tǒng)的交換能力，但是受限于Sup720引擎目前的能力，每個接口卡和交換結(jié)構(gòu)的連接并沒有被擴展。

　　在10％負載的情況下，我們測試了3種數(shù)據(jù)包長的轉(zhuǎn)發(fā)延時，Spirent公司的TestCenter測試系統(tǒng)得到的平均時延在12微秒到17微秒之間。虛擬交換系統(tǒng)（VSS）的平均時延和一般萬兆交換機一樣，遠遠小于應用可以感知的程度。即使是時延分布的最大值66微秒，與Internet上常見的幾十毫秒相比，對應用的性能影響都是微不足道的。

快速的故障倒換

　　我們的故障倒換測試結(jié)果又創(chuàng)造了一個新紀錄，Cisco公司的虛擬交換系統(tǒng)（VSS）在二層和三層網(wǎng)絡故障時的倒換速度是我們到目前所得到的最快的結(jié)果。

　　我們首先搭建了一個傳統(tǒng)的環(huán)境，二層設備間采用RSTP協(xié)議，HSRP提供三層網(wǎng)關的冗余保護，Spirent公司的TestCenter測試系統(tǒng)仿真16000臺計算機互相訪問，流量完全經(jīng)過我們搭建的具有冗余保護的接入層，匯聚層和核心層。在測試過程中，我們通過切斷匯聚層設備電源的方式觸發(fā)各種保護機制，在6.883秒后流量完全恢復正常。

　　我們?nèi)缓蟛捎猛瑯拥臏y試方法對虛擬交換技術進行測試，測試結(jié)果表明核心層和匯聚層的故障倒換時間分別為341微秒和322微秒，采用虛擬交換技術的網(wǎng)絡故障倒換時間比傳統(tǒng)的保護方式快了20倍。

網(wǎng)界網(wǎng)


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