基于分布式架构的交换机虚拟化系统.pdf

本公开涉及一种基于分布式架构的交换机虚拟化系统。该系统包括一个根节点交换机、多个叶节点交换机以及预选出的一个备用根节点交换机，多个叶节点交换机与备用根节点交换机直接或间接地与根节点交换机相连，其中，根节点交换机，用于对交换机虚拟化系统中的任务进行分工并对多个叶节点交换机和备用根节点交换机的处理结果进行汇总；多个叶节点交换机，用于为相邻节点交换机转发所分配的任务、将执行结果转发给根节点交换机、并执行根节点交换机所分配的任务；备用根节点交换机，用于同步备份根节点交换机的信息并执行根节点交换机所分配的任务。本公开通过分布式显著提升了系统整体资源的利用率。

权利要求书1.  一种基于分布式架构的交换机虚拟化系统，其特征在于，包括一 个根节点交换机、多个叶节点交换机以及预选出的一个备用根节点交换 机，所述多个叶节点交换机与所述备用根节点交换机直接或间接地与所 述根节点交换机相连，其中， 所述根节点交换机，用于对所述交换机虚拟化系统中的任务进行分 工并对所述多个叶节点交换机和所述备用根节点交换机的处理结果进行 汇总； 所述多个叶节点交换机，用于为相邻节点交换机转发所分配的任务、 将执行结果转发给所述根节点交换机、并执行所述根节点交换机所分配 的任务； 所述备用根节点交换机，用于同步备份所述根节点交换机的信息并 执行所述根节点交换机所分配的任务。 2.  根据权利要求1所述的基于分布式架构的交换机虚拟化系统，其 特征在于，所述根节点交换机还用于执行所述交换机虚拟化系统中的部 分任务。 3.  根据权利要求1所述的基于分布式架构的交换机虚拟化系统，其 特征在于，所述备用根节点交换机还用于实时检测所述根节点交换机是 否处于正常运行状态，在所述根节点交换机发生故障时主动变更为根节 点交换机，更新所述交换机虚拟化系统的拓扑信息，并在所述多个叶节 点交换机中重新选择备用根节点交换机。 4.  根据权利要求1所述的基于分布式架构的交换机虚拟化系统，其 特征在于，所述备用根节点交换机和所述多个叶节点交换机还定时向所 述根节点交换机发送运行状态信息。 5.  根据权利要求4所述的基于分布式架构的交换机虚拟化系统，其 特征在于，所述根节点交换机还根据接收到所述备用根节点交换机的运 行状态信息确定所述备用根节点交换机是否发生故障，如发生故障，则 根据接收到的所述多个叶节点交换机的运行状态重新选择备用根节点交 换机。 6.  根据权利要求1所述的基于分布式架构的交换机虚拟化系统，其 特征在于，所述交换机虚拟化系统中的任务包括可分解型任务和不可分 解型任务。 7.  根据权利要求6所述的基于分布式架构的交换机虚拟化系统，其 特征在于，针对任一件可分解型任务，由一个节点交换机执行或由多个 节点交换机共同执行。 8.  根据权利要求6所述的基于分布式架构的交换机虚拟化系统，其 特征在于，针对任一件不可分解型任务，由一个节点交换机执行，所述 一个节点交换机为所述根节点交换机、所述备用节点交换机、或所述多 个叶节点交换机中的任一个叶节点交换机。

说明书基于分布式架构的交换机虚拟化系统
技术领域
本公开涉及网络虚拟化技术领域，特别地，涉及一种基于分布式架 构的交换机虚拟化系统。
背景技术
云计算中心的特征之一是使用服务器虚拟化技术，服务器虚拟化使 数据中心服务器的接入量成倍增长，从而使得云计算中心的接入网络面 临网络流量快速提升，以及交换机端口流量突发的问题。虚拟机产生了 不可预期的流量模型，特别是如虚拟机迁移、数据同步、数据备份等带 来的突发性流量。在使用虚拟机的迁移操作时，虚拟机的活动内存和准 确的执行状态经由二层网络从一个物理服务器高速传输至另一个物理服 务器，涉及到服务器/虚拟机间的大量数据传送。这些应用都使得数据中 心内部、数据中心间产生了海量的东西向流量（即，网络架构内同层之 间的流量）。这一系列的挑战对网络提出了扁平化架构的要求，交换机堆 叠就是解决该问题的一种有效方法。
堆叠技术是在以太网交换机上扩展端口使用较多的另一类技术，是 一种非标准化技术。堆叠技术的最大的优点就是提供简化的本地管理， 将一组交换机作为一个对象来管理。
为了使交换机满足大型网络对端口的数量要求，一般在大型网络中 都采用交换机的堆叠方式来解决。当多个交换机连接在一起时，可以当 作一个单元设备来进行管理。一般情况下，当多个交换机堆叠时，其中 存在一个可管理交换机，可对此可堆叠交换机中其他“独立交换机”进 行管理。堆叠中的所有交换机可视为一个整体的交换机来进行管理，也 就是说，堆叠中所有的交换机从拓扑结构上可视为一个交换机。堆叠在 一起的交换机可以当作一台交换机来统一管理。交换机堆叠技术采用了 专门的管理模块和堆叠连接电缆，这样做的好处是，一方面增加了用户 端口，能够在交换机之间建立一条较宽的宽带链路，这样每个实际使用 的用户带宽就有可能更宽（只有在并不是所有端口都在使用情况下）。另 一方面多个交换机能够作为一个大的交换机，便于统一管理。
H3C公司的IRF（Intelligent Resilient Framework，智能弹性架构） 技术将多台交换设备组合成一个高性能的整体，目的是以尽可能少的开 销获得尽可能高的网络性能和网络可用性。支持IRF技术的设备都具备 三个重要特性：DDM（Distributed Device Management，分布式设备管 理）、DLA（Distributed Link Aggregation，分布式链路聚合）和DRR （Distributed Dynamic Routing，分布式弹性路由）。这三项技术是完成 IRF技术目标不可缺少的环节。其中，DLA用于提高传输链路的可用性 和容量。
多台IRF交换机堆叠后，端口的数量增加了，要求DLA能支持更多 的聚合组，每组能有更多的链路聚合成员。更多的聚合组意味着交换设 备可提供更多的高速链路，而更多的聚合成员则不仅能提高链路容量， 还能降低整个数据线路失效的风险。在不同的IRF设备上，上述两项参 数不同，但IRF系统至少支持8组聚合链路，每组能提供一条总容量为 80M、800M或8000M的传输链路。一些配置较高的交换机还允许两个 10G端口的聚合，为用户提供一条带宽更高的链路。
但是，通过将上述堆叠系统中的各个交换机内的控制模块设置为主 备模式，由于主控制模块只存在于一台交换机内，组网规模受限于单一 设备的控制模块能力。此外，网络设备虚拟化后的控制端集中在一台设 备甚至单一控制板，发生故障时进行重新选举，增加了故障恢复周期。
发明内容
本公开鉴于以上问题中的至少一个提出了新的技术方案。
本公开在其一个方面提供了一种基于分布式架构的交换机虚拟化 系统，其通过分布式显著提升了系统整体资源的利用率。
根据本公开，提供一种基于分布式架构的交换机虚拟化系统，包 括一个根节点交换机、多个叶节点交换机以及预选出的一个备用根节点 交换机，多个叶节点交换机与备用根节点交换机直接或间接地与根节点 交换机相连，其中，
根节点交换机，用于对交换机虚拟化系统中的任务进行分工并对多 个叶节点交换机和备用根节点交换机的处理结果进行汇总；
多个叶节点交换机，用于为相邻节点交换机转发所分配的任务、将 执行结果转发给根节点交换机、并执行根节点交换机所分配的任务；
备用根节点交换机，用于同步备份根节点交换机的信息并执行根节 点交换机所分配的任务。
在本公开的一些实施例中，根节点交换机还用于执行交换机虚拟化 系统中的部分任务。
在本公开的一些实施例中，备用根节点交换机还用于实时检测根节 点交换机是否处于正常运行状态，在根节点交换机发生故障时主动变更 为根节点交换机，更新交换机虚拟化系统的拓扑信息，并在多个叶节点 交换机中重新选择备用根节点交换机。
在本公开的一些实施例中，备用根节点交换机和多个叶节点交换机 还定时向根节点交换机发送运行状态信息。
在本公开的一些实施例中，根节点交换机还根据接收到备用根节点 交换机的运行状态信息确定备用根节点交换机是否发生故障，如发生故 障，则根据接收到的多个叶节点交换机的运行状态重新选择备用根节点 交换机。
在本公开的一些实施例中，交换机虚拟化系统中的任务包括可分解 型任务和不可分解型任务。
在本公开的一些实施例中，针对任一件可分解型任务，由一个节点 交换机执行或由多个节点交换机共同执行。
在本公开的一些实施例中，针对任一件不可分解型任务，由一个节 点交换机执行，一个节点交换机为根节点交换机、备用节点交换机、或 多个叶节点交换机中的任一个叶节点交换机。
在本公开的技术方案中，由于将交换机虚拟化系统中的多个堆叠 交换机在逻辑上定义为根节点交换机、备用根节点交换机与叶节点交 换机，使得系统中任务的执行不再由一个交换机来完成，而是由多个 交换机共同完成，因此，这种分布式方式显著提升了系统整体资源的 利用率。同时，由于备用根节点交换机通过预选方式选出，在根节点 发生故障的情况下可以提高系统恢复效率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本公开的进一步理解，构成本申请的 一部分。在附图中：
图1是本公开一个实施例的基于分布式架构的交换机虚拟化系统的 结构示意图。
图2是本公开各节点实例的示意图。
图3是本公开可分解型任务的处理示意图。
具体实施方式
下面将参照附图描述本公开。要注意的是，以下的描述在本质上 仅是解释性和示例性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限 制。除非另外特别说明，否则，在实施例中阐述的部件和步骤的相对 布置以及数字表达式和数值并不限制本公开的范围。另外，本领域技 术人员已知的技术、方法和装置可能不被详细讨论，但在适当的情况 下意在成为说明书的一部分。
随着云数据中心的发展，虚拟机的集群技术和热迁移等功能要求云 数据中心构建一个可靠的大二层网络。目前，分布式计算在业界中有较 为广泛的应用，尤其是开源技术已经有了很大的发展，通过在堆叠的、 虚拟化的交换机节点中引入分布式计算技术，可以有效提高虚拟交换机 系统的整体资源利用率和系统规模。
本公开要解决的一个技术问题是现有网络设备虚拟化主备模式下存 在计算资源不能充分利用、网络设备虚拟化规模受限。通过改进的基于 分布式架构的交换机虚拟化系统，通过分布式和预选举的方式，在保持 网络设备堆叠带来的高可靠性和扩展性的前提下，能有效提升网络设备 的堆叠规模。
图1是本公开一个实施例的基于分布式架构的交换机虚拟化系统的 结构示意图。
如图1所示，该实施例中的交换机虚拟化系统10可以包括一个根节 点交换机102、多个叶节点交换机104以及预选出的一个备用根节点交换 机106，多个叶节点交换机104与备用根节点交换机106直接或间接地与 根节点交换机102相连，其中，
根节点交换机102，用于对交换机虚拟化系统中的任务进行分工并 对多个叶节点交换机和备用根节点交换机的处理结果进行汇总；
多个叶节点交换机104，用于为相邻节点交换机转发所分配的任务、 将执行结果转发给根节点交换机、并执行根节点交换机所分配的任务；
备用根节点交换机106，用于同步备份根节点交换机的信息并执行 根节点交换机所分配的任务。其中，该备用根节点是一种特殊的节点， 其在处于备用状态时，该节点为一个叶节点，在取代根节点交换机时， 该节点从叶节点上升为根节点。
需要指出的是，在该实施例中，并不是由一个节点交换机完成整个 系统的所有管理与控制功能，而是由所有节点共同完成这些功能，其中 的根节点交换机起统领作用，其与其他节点交换机一起实现对整个系统 的控制，不仅提高了系统的资源利用率，而且组网规模也不再受限于单 一交换机的控制能力。
在该实施例中，由于将交换机虚拟化系统中的多个堆叠交换机在 逻辑上定义为根节点交换机、备用根节点交换机与叶节点交换机，使 得系统中任务的执行不再由一个交换机来完成，而是由多个交换机共 同完成，因此，这种分布式方式显著提升了系统整体资源的利用率。 同时，由于备用根节点交换机通过预选方式选出，在根节点发生故障 的情况下可以提高系统恢复效率。
图2是本公开各节点实例的示意图。
关于备用根节点交换机的预选，如图2所示，在系统组建时，通过 一定的选举方法通过信令交换自选出各个交换机节点的角色。例如，通 过ID（IDentity）选举的方法，如ID编号最小的交换机1为主管理节点， ID编号第二大的交换机3为备份节点，其他交换机节点为管理转发节点。 系统角色的选举方法还有很多种，包括部分能力指标的比较（例如，CPU 主频最大、或内存最大）、ID大小的比较（在性能相同的情况下安装设 定编号规则进行选取）、综合各项指标评分的比较（例如，CPU主频与 内存均最大）等，只要主管理节点的性能在所有节点中性能最佳即可。 由于大部分的虚拟化系统会选用相同的节点进行组建，因为可以以ID编 号为选取规则。
其中，交换机虚拟化系统中的任务可以包括可分解型任务和不可分 解型任务。可分解型任务是指该任务可以被分解为多个子任务来执行， 而不可分解型任务则是指该任务不可以被分解为多个子任务来执行。
通常相互之间有依赖关系的任务，在分布式里面认为是不可分解的 任务，例如，节点A计算的内容需要等节点B计算的某个结果，单一路 由的选址过程一般认为是不可分解。
因此，针对任一件可分解型任务，在节点交换机处理能力较强的情 况下可以由一个节点交换机执行，或在节点交换机处理能力较弱或该任 务较大时可以由多个节点交换机共同执行，以提高处理效率。
针对任一件不可分解型任务，可以由一个节点交换机执行，该一个 节点交换机可以为根节点交换机、备用节点交换机、或多个叶节点交换 机中的任一个叶节点交换机。
对于交换机系统而言，通常包括运行路由协议并执行路由算法、系 统链路的拓扑维持和维护、信息转发、信息同步等任务，根据前述说明， 可以将各项任务分为可分解型和不可分解型任务。例如，路由算法可作 为可分解型任务，按照一定的规则，如端口地址归宿分配到各个交换机 上进行计算。而系统维护则作为不可分解任务，可以由主管理节点或管 理转发节点负责。
同样以图2为例，作为主管理节点的交换机1负责可分解型任务的 任务分工，例如，由各个交换机负责自带端口上的路由查找，并共享到 每个交换机上的系统的路由表中；信息的转发也由各个交换机负责各自 自带端口上的协议分析和其他网络转发层面的控制任务。对于不可分解 型任务，如系统链路的拓扑维护，可以由主管理节点自己负责也可以由 主管理节点指定某个管理转发节点或备用管理节点执行。而作为备用节 点的交换机3，则负责同步主管理节点的各项信息，同时检测根节点是否 处于正常运作状态，例如，主管理节点定时，如每3秒发送一次信息变 化给备用管理节点做更新，如果备用管理节点超过6秒没收到，则备用 管理节点认为主管理节点故障，当备用管理节点发现主管理节点发生故 障时，则主动成为主管理节点，发送通知包给系统里的其它节点，告知 自己成为主管理节点，并运行主管理节点的任务，同时更新系统拓扑信 息、发出告警提示、并重新在运行状态正常的管理转发节点中选择备用 管理节点。
此外备用管理节点和其他子节点应定时向主管理节点发出运行状态 信息，当主管理节点发现备用管理节点发生故障时，则立即选择新的备 用管理节点并进行信息同步和重新分工。
进一步地，根节点交换机除了进行任务的分工与结果的汇总之外， 根据自身的处理性能还可以执行交换机虚拟化系统中的部分任务。具体 所执行的任务的大小取决于根节点交换机的处理性能。
此外，为了保证在根节点交换机故障时备用根节点交换机能够及时 更新为根节点交换机，备用根节点交换机还用于实时检测根节点交换机 是否处于正常运行状态，在根节点交换机发生故障时主动变更为根节点 交换机，更新交换机虚拟化系统的拓扑信息，并在多个叶节点交换机中 重新选择备用根节点交换机。
例如，在备用根节点交换机更新为根节点交换机后，该新的根节点 交换机需要根据各个叶节点交换机的运行状态确定新的备用根节点交换 机，最基本的要求是选择一个处于正常工作状态的叶节点作为新的备用 根节点交换机。
进一步地，备用根节点交换机和多个叶节点交换机还定时地向根节 点交换机发送运行状态信息。
具体地，根节点交换机还可以根据接收到备用根节点交换机的运行 状态信息确定备用根节点交换机是否发生故障，如发生故障，则根据接 收到的多个叶节点交换机的运行状态重新选择备用根节点交换机，例如， 需要从正常运行的叶节点交换机选择新的备用根节点交换机。如果接收 到的备用根节点交换机未发生故障，则仍将其作为备用根节点。
此外，还可以换种方式来描述本公开的具体实施例。
首先，将虚拟化系统中的交换机节点分为三种角色：
（1）主管理节点，即，前述的根节点交换机，负责整个虚拟化交换 系统的管理分工和结果汇总。
（2）管理转发节点，即，前述的叶节点交换机，负责转发和部分控 制任务，控制面板分摊管理任务。
（3）备用管理节点，即，前述的备用节点交换机，其正常工作时同 步备份主管理节点的信息，且预先选好，当主管理节点故障时直接切换 为主管理节点。
图3是本公开可分解型任务的处理示意图。
如图3所示，使用分布式选举的方式将网络设备集群内的交换机分 成根节点与叶节点，根节点（即，主管理节点）负责对外的逻辑呈现与 协调叶节点的分工，每个叶节点（即，非主管理节点）负责执行根节点 分配的工作，同时根节点在分工过程中根据工作的类型使用不同的分工 方式，可分解型任务利用分布式计算模型分发到各个叶节点和/或根节点 上执行，不可分解型任务则指定叶节点或在根节点上执行。
（1）可分解型任务：使用Map Reduce编程模型把计算工作平均分 散至各叶节点，例如，在网络设备虚拟化中路由协议运行是可分解型工 作，可以根据各自路由需求进行分工。
（2）不可分解型热舞：根节点把多份计算工作按照负荷和特点分散 到不同叶节点，不同的叶节点负责不同的工作。
本公开通过充分利用各个节点的控制能力，可以大幅增强系统的处 理能力和效率，解决原来由于CPU瓶颈而导致的虚拟化系统规模受限的 问题。
此外，由于预先选择根节点的备份节点，使得1+1的备份方式可有 效提高系统的可靠性，同时也不过多占用系统资源，是目前较为推荐的 主备方式，且唯一备份，故障切换时无需进行重新选举，能有效提高切 换效率。
本领域普通技术人员可以理解，实现上述方法实施例的全部和部分 步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计 算设备可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例 的步骤，而前述的存储介质可以包括ROM、RAM、磁碟和光盘等各种 可以存储程序代码的介质。
本说明书中各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说 明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同和相似的部分 可以相互参见。对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似， 所以描述的比较简单，相关之处可以参见方法实施例部分的说明。
虽然已参照示例性实施例描述了本公开，但应理解，本公开不限 于上述的示例性实施例。对于本领域技术人员显然的是，可以在不背 离本公开的范围和精神的条件下修改上述的示例性实施例。所附的权 利要求的范围应被赋予最宽的解释，以包含所有这样的修改以及等同 的结构和功能。