剖析大二层

在数据中心和云计算的网络方案和技术讨论中，大二层已经成为热点话题，涌现了各种软件和硬件技术、直接和间接手段等，目的都是为了解决"L2 over XX"的问题。那么，为什么有这么多大二层技术？在数据中心方案规划和设计中该如何选择？本文进行一个总体的剖析，并在后续的文章中就主要技术与应用进行详细的分析和介绍。

一、为什么需要大二层

1.虚拟化对数据中心提出的挑战

传统的三层数据中心架构结构的设计是为了应付服务客户端-服务器应用程序的纵贯式大流量，同时使网络管理员能够对流量流进行管理。工程师在这些架构中采用生成树协议（STP）来优化客户端到服务器的路径和支持连接冗余。

虚拟化从根本上改变了数据中心网络架构的需求。最重要的一点就是，虚拟化引入了虚拟机动态迁移技术。从而要求网络支持大范围的二层域。从根本上改变了传统三层网络统治数据中心网络的局面。

2.虚拟机迁移与数据中心二层网络的变化

在传统的数据中心服务器区网络设计中，通常将二层网络的范围限制在网络接入层以下，避免出现大范围的二层广播域。

如图1所示，由于传统的数据中心服务器利用率太低，平均只有10%～15%，浪费了大量的电力能源和机房资源。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，虚拟化技术的一项伴生技术-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，甚至出现了专业的大二层网络这一新领域专题。

图1数据中心虚拟化与大范围二层网络

3.传统网络的二层为什么大不起来

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（Spanning Tree Protocol，生成树协议）。

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。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。

4.大二层也是为了流通的要求

随着数据大集中的发展和虚拟化技术的应用，数据中心的规模与日俱增，不仅对二层网络的区域范围要求也越来越大，在需求和管理水平上也提出了新的挑战。

数据中心区域规模和业务处理需求的增加，对于集群处理的应用越来越多，集群内的服务器需要在一个二层VLAN下。同时，虚拟化技术的应用，在带来业务部署的便利性和灵活性基础上，虚拟机的迁移问题也成为必须要考虑的问题。为了保证虚拟机承载业务的连续性，虚拟机迁移前后的IP地址不变，因此虚拟机的迁移范围需要在同一个二层VLAN下。反过来即，二层网络规模有多大，虚拟机才能迁移有多远。