更适合私有云的网络部署模式 - 动态路由

阅读数:5888 2019 年 8 月 16 日 15:33

更适合私有云的网络部署模式-动态路由

当前云计算的建设已经如火如荼,云计算带来的好处也显而易见,各行各业都在积极上云。对于 IaaS 这层来说,主要由计算、存储、网络组成。如果说计算像人体的灵魂,那存储就是大脑,保存了认知的所有信息;网络是血管,连通了身体每一个部分。计算是最核心的,存储是最重要的,而网络是最复杂的。

更适合私有云的网络部署模式-动态路由

在 ZStack 云网络中,网络的部署模式可以分为扁平网络和 VPC 网络,而在 VPC 网络中,又可以通过 EIP 或者 OSPF 动态路由两种模式来让外部网络访问 VPC 内部虚拟机,本文来分析一下这几种模式的特点和适用场景。

1.OSPF 简介

在看各种网络模型的适用场景之前,咱们先来了解下动态路由和 OSPF 的相关概念。

路由是指在路由器上指导数据包流量转发的路径信息,让路由器知道该从哪个接口将数据包发出去。路由器就好比交叉路口,而路由就好比路牌,数据包就好比轿车,路牌告诉司机,到某某路该从哪个路口走,这个和路由器转发数据包非常相像。那么问题又来了,路牌是政府建造的,路由是怎么生成的呢?

路由可以分为 3 类:

  • 直连路由:路由器接口所属网段的信息,自动生成
  • 静态路由:管理员手工配置的路由信息,适用于小规模环境
  • 动态路由:通过动态路由邻居相互之间交互而生成的路由信息,适用于大规模复杂环境

静态路由因为所有的路由条目都是手工配置,那么在规模越来越大的情况下,配置的复杂度会成倍上升,并且无法自适应网络拓扑的更改。一旦某台路由器宕机,会使得和这台路由器相关的所有网段都无法通信,如果要更改拓扑,修改配置也会变得非常麻烦;而动态路由的出现很好地解决了静态路由的问题,只需要进行协议初始配置即可,路由条目都是动态生成,也能够自适应拓扑的改变,自动改变数据的转发路径。

OSPF 就属于动态路由中应用最广泛的一种。OSPF 是一种基于链路状态的路由协议,使用最短路径优先算法来计算出路由。OSPF 的工作过程如下所示:

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在 OSPF 启动以后,会周期性的发送 Hello 包,当收到邻居发来的 Hello 包以后,状态变更为 2-way;然后,在整个网段上所有的 OSPF 路由器开始进行 DR/BDR 的选举,也就是网段的管理者 / 备份管理者;后续所有的路由器都和 DR/BDR 建立邻接关系,将本地连接的所有网段信息传递给 DR/BDR,再由 DR 将计算出的整个网络的拓扑信息发送给所有路由器;最后,所有路由器以自己为根,根据算法计算出到各网段的最优路径并写入路由表。

2. 扁平网络

2.1 拓扑架构

扁平网络的架构如下所示:

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扁平网络其实就是个纯二层网络,云平台只提供二层转发的功能,通过 DHCP 给虚拟机自动分配 IP。云平台会创建一个虚拟网桥,分别连接虚拟机和物理网卡,虚拟机数据包通过物理网卡转发到物理交换机上,由物理交换机提供网关以及三层转发。

2.2 适用场景

来看下扁平网络的特点:

扁平网络最大的特色就是简单,配置完二三层网络即可,数据流量也非常简单,物理网卡只是做桥接;但是相应的,扁平网络支持的网络服务就非常少,比如负载均衡、IPSec、端口转发等功能,扁平网络都是不支持的,而这些在企业网络中使用比较普遍。因此,扁平网络适用于对网络要求简单,只需要互通性的场景。

3. VPC 网络 -EIP 模式

3.1 拓扑架构

VPC 网络 EIP 模式的架构如下所示:

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在 VPC 网络中,云平台提供 vrouter 功能,vrouter 一端是公有网络,用于和物理网络相连接,这边的公有网络只是一个概念,表示公共的网络,并不是一定需要用真正的公网 IP;另一端连接租户的 VPC 网络,作为 VPC 网络的网关,并可以提供 EIP、LB、端口转发等网络服务,提供多租户隔离,支持 VXLAN,可以进行更好的网络扩展。

不同的租户之间的 IP 段是可以重复的,VPC 网络访问外部的时候,在 VPC 路由器的公网接口会进行 SNAT,转换为公网 IP;而外部访问 VPC 网络的时候,通过访问虚拟机绑定的 EIP,在 VPC 路由器的公网接口会进行 DNAT,转换为虚拟机的真实 IP,这样就可以进行内外互通。

3.2 适用场景

来看下 EIP 模式的特点:

VPC 网络提供的网络服务非常丰富,如 EIP、IPSec、端口转发、分布式路由、负载均衡等,可以应对各种网络的需求,不同租户之间相互隔离,IP 段都是自定义,而且不需要担心冲突的问题。EIP 模式和公有云网络是一致的,每个租户都在 VPC 内部自定义 IP 段,对外访问通过 SNAT,外部访问虚拟机则通过 EIP。

EIP 模式适用于公有云、托管云以及一些特殊场景,比如不允许暴露真实 IP、公司被收购 IT 系统需要合并,当然,私有云场景也是适合的。

4 VPC 网络 -OSPF 模式

在上节咱们看到了 EIP 的特点,事实上大多数的私有云网络都是 EIP 模式,但是咱们来仔细分析一下,EIP 模式的虚拟机和外部通信,其实是要经过 SNAT 和 DNAT 的,这样就涉及到 IP 地址的转换,会引起如下的几个问题:

  • 性能损耗:IP 的转换是需要依靠 NAT 规则一条条来匹配的,一旦规模变得比较大,规则数量就会上升,NAT 的效率就低了,这样转发性能就会有影响
  • IP 管理不方便:私有云内部一般都是私网 IP,使用 EIP 模式,公有网络和 VPC 网络都是私网 IP,在大多数的场景下,其实根本没必要进行转换,直接将真实 IP 暴露给云外部即可,网工还需要来维护 NAT 的对应关系,增加了维护的工作量,同时也使得架构更加复杂
  • EIP 配置复杂:如果给每个虚拟机都分配一个 EIP,那每个虚拟机都需要额外配置 EIP,当虚拟机数量庞大的时候,配置会耗费很长时间;如果部分虚拟机不用 EIP 而使用端口转发的话,端口转发的配置和管理也比较复杂。

那么,是否有一种方法可以解决以上的问题呢?

ZStack 的解决方案是在 VPC 路由器上运行 OSPF 协议,和物理交换机对接,并关闭 SNAT。

4.1 OSPF 拓扑架构

OSPF 方案的总体架构如下所示:

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OSPF 是 VPC 路由器的一个功能模块,可以和物理交换机的 OSPF 进行无缝对接,使用时需要先关闭 SNAT 的功能,将 VPC 网络的 IP 宣告给邻居。通过 OSPF,物理网络可以学习到 VPC 网络的真实 IP 并直接访问,不需要再做 DNAT 转换,相对于传统 VPC 网络来说架构更简单,更容易和物理网络进行联动。使用 OSPF,VPC 路由器就是物理网络在虚拟环境中的一个延伸,100% 还原物理路由器的 NFV 方案,并且 VPC 路由器依然可以支持负载均衡、IPSec、端口转发等功能。

4.2 适用场景

OSPF 模式本质上是把物理交换机的部分功能以 NFV 的形式来实现,和传统物理网络相比较,除了接入层是由物理设备变更为虚拟设备,其他都没有变化,整体架构和传统网络是一样的,因此,可以适用于绝大部分的私有云环境,并且没有 NAT 的性能损耗,网络架构更加简单,和 EIP 模式相比较,OSPF 模式更适合私有云场景。

可能有人会问多租户场景怎么办?IP 无法重复的话是否会不够用?多租户隔离怎么办?其实这个完全没必要担心,10.0.0.0/8 这个段就是专门给私有网络分配的,足足 1000 多万个 IP,完全满足 99% 以上的私有云环境,而且企业内部的 IP 都是网工统一分配管理的,如果让使用者自定义网络,反而会将整体架构变复杂,增加网络运维的工作量;多租户隔离其实并不是靠 NAT 来做的,多租户隔离一是路由没有发布,二是依靠虚拟防火墙来做访问控制,而 NAT 的作用是允许内部 IP 重复。

公有云能否不用 EIP 呢?这个其实是不行的,因为公有云是所有不同公司 / 个人的用户共享一个平台,IP 的规划必然会有重复,所以需要用 NAT 来做防 IP 冲突,用 EIP 来提供外部访问。而私有云只是一个公司内部的环境,IP 规划必然不能有冲突,所以绝大部分的私有云场景不需要 NAT 和 EIP,使用动态路由是更适合的方式。

总结

综上所述,扁平网络、VPC 网络 EIP 模式、OSPF 模式都有各自的适用场景,对于网络需求简单、只需要连通性的场景,适合使用扁平网络;对于绝大部分的私有云场景,更适合使用 OSPF 模式,对接物理交换机,将物理网络延伸到虚拟环境;对于公有云、托管云以及一些特殊场景,适合使用 EIP 模式。

作者介绍:

邵悠锋,ZStack 云计算方案专家。曾在国内多家知名云计算公司担任高级工程师,熟悉 KVM 技术、网络技术、OpenStack 技术,拥有数个 500+ 节点规模云平台设计实施经验,目前从事 ZStack 方案设计工作。

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