白皮书：思科虚拟拓扑系统

白皮书思科虚拟拓扑系统：面向新一代云架构的数据中心自动化技术目录学习内容 (3)摘要 (3)数据中心虚拟化和NFV领域的趋势和挑战 (3)思科虚拟拓扑系统简介 (4)策略面板 (6)控制平面 (6)思科虚拟拓扑转发器 (6)硬件交换机：ToR、接入、网脊及汇聚 (6)DCI网关 (7)利用思科虚拟拓扑系统部署租户覆盖网络 (8)思科虚拟拓扑系统的高可用性 (8)思科虚拟拓扑系统基于EVPN的VXLAN覆盖层配置 (8)前提要求 (9)设备发现 (9)利用系统策略定义数据中心隔区 (9)BGP EVPN控制平面路由分布 (11)思科虚拟拓扑系统用例 (12)面向多租户数据中心的虚拟化基础设施 (12)物理与虚拟工作负载相互集成 (13)网络功能虚拟化 (14)详情垂询 (15)学习内容本文从技术层面介绍了思科®虚拟拓扑系统（VTS）的主要特点。

摘要目前，服务供应商和大型企业纷纷开始考虑利用云架构来帮助其实现各种业务目标，包括加快进入市场的步伐、增加运营收入和降低成本。

扁平式可扩展云架构使用户对强韧型覆盖层网络（虚拟网络）的需求不断增加，借此他们可实现更高的灵活性和移动性，并能大大简化底层物理网络的运行模式。

SDN尝试通过一种途径来满足这些要求，即按照需要，以任意组合的方式，通过编程将网络和网络功能及服务快速汇集在一起，形成独特的、彼此独立的安全虚拟网络。

在实现这些功能时，完全不会因速度和灵活性的提升而影响安全性、系统性能或可管理性。

思科虚拟拓扑系统（或简称VTS）是一个开放的可扩展SDN框架结构，专门用于提供数据中心虚拟网络设置和管理。

其设计目的是满足当今多租户数据中心对云和网络功能虚拟化（NFV）服务的需求，同时又不牺牲传统数据中心架构的安全性、可靠性和优异性能。

数据中心虚拟化和NFV领域的趋势和挑战数据中心的基本特征正在发生变化，因此对IT部门提出了全新要求。

企业和IT部门的工作负载正逐渐向云平台转移，因此对各种灵活的云服务产生新的需求。

这类云架构的主要特征是自动化、自助服务、独立性和可扩展性。

为提高使用率和降低成本，IT部门希望将各种服务器、存储和网络资源库作为单个系统进行管理，并对与这些库资源的使用相关的任务实施自动化。

利用一个高度可扩展、基于策略的覆盖层管理解决方案，我们可以满足这些需求。

该解决方案将覆盖层基础设施从复杂的基础硬件基础设施中分离出来，大大简化了其管理和运行。

云架构的转型和演变对企业和服务供应商均有极大利益。

服务供应商可借此机会提供有保障的服务水平协议（SLA）和可扩展的多租户服务，使企业能将其关键业务工作负载安全转移到服务供应商的云平台，从而彰显自身优势，从竞争对手中脱颖而出。

企业可利用此转型机会构建一个高度可扩展、安全的多租户私有云或混合云，并以透明方式转移工作负载，实现更高的生产率和效率，同时降低总体拥有成本（TCO）。

传统的数据中心解决方案在满足这些新需求方面困难重重。

除对IT人员提出更高的要求之外，由于数据中心基于VLAN的设计相当复杂，无法通过扩展满足一个大型多租户数据中心的要求。

现有的自动化和编排系统缺乏提供安全的虚拟化网络服务所需的灵活敏捷性和声明策略分离功能。

任何一个可满足云架构要求的解决方案均应将重点放在以快速、灵活、安全的方式大规模部署和交付应用和服务。

虚拟拓扑系统可向云计算数据中心提供灵活可扩展的多租户服务及编程功能，从而有效满足了以上需求。

思科虚拟拓扑系统简介思科®虚拟拓扑系统（VTS）是一个基于标准的开放式覆盖层管理和设置系统，专门面向数据中心网络。

该系统能针对物理和虚拟工作负载自动执行矩阵设置，并能帮助服务供应商和大型企业实现自动化和快速服务交付，从而广泛受益于新一代云架构。

图1. 思科虚拟拓扑系统解决方案的主要特性利用虚拟拓扑系统可以为服务供应商和大型企业创建一个基于标准、高度可扩展的多租户解决方案。

通过与OpenStack和VMware vCenter等云协调系统集成，虚拟拓扑系统可自动执行复杂的网络覆盖层设置和管理任务。

对该解决方案的管理可由一个嵌入式GUI完成，也可通过一组由协调和云管理系统共享的北向REST API进行管理。

思科虚拟拓扑系统解决方案的主要特性包括：●矩阵自动化：该解决方案可对各类硬件和软件端点进行快速灵活的网络设置。

●可编程性：提供一个基于表现层状态转化（REST）、且保持良好文档记录的开放式北向API，允许与一个外部协调系统或云管理系统集成。

通过平台API（Cisco NX-API）或Netconf/YANG 提供广泛的南向集成。

●开放、可扩展的标准解决方案：基于标准的多协议边界网关协议（MP-BGP）以太网虚拟专用网（EVPN）控制面板可在不损及性能的情况下，在一个大规模多租户环境中实现灵活的工作负载部署和移动。

●投资保护：该解决方案支持整个Cisco Nexus®产品系列（Cisco Nexus 2000系列交换矩阵扩展器及Cisco Nexus 3000至9000系列交换机）。

●高性能软件转发器：思科VTS 内置一个虚拟转发器，被称为虚拟拓扑转发器（VTF）。

VTF是一个轻型多租户软件数据面板，专门用于支持x86服务器上的高性能分组处理任务。

利用Cisco Vector Packet Processing（VPP-思科矢量分组处理）技术和Intel Data Path DevelopmentKit（DPDK-英特尔数据路径开发套件），VTF实现高性能的L2、L3和VXLAN分组转发。

虚拟拓扑系统可将VTF用作一个Software VXLAN Tunnel Endpoint（VTEP-软件VXLAN隧道端点），从而能在主机服务器上端接VXLAN隧道。

VTS还能将物理和虚拟端点接合在单个VXLAN 网段，从而支持混合覆盖层。

利用虚拟拓扑系统，客户可全面发挥其数据中心投资的所有潜力，因为该系统能在同一底层物理基础设施上按需支持多个租户。

这一功能为多租户数据中心提供了一个可扩展的高性能网络基础设施，使绿地（新建设施）和棕地（现有设施）部署项目都能实现简便性、灵活性和弹性。

思科虚拟拓扑系统架构概述虚拟拓扑系统架构有两个主要的核心组件：策略面板和控制面板。

这些组件执行核心功能，如SDN控制、资源分配及核心管理功能（图2）。

图2. 思科虚拟拓扑系统架构思科网络服务协调器OpenStack云软件VMware vCenter GUI统一信息模型（REST API）虚拟拓扑系统服务与基础设施策略资源管理库存数据库策略面板设备管理控制面板控制器联合MP-BGP虚拟计算环境开放式vSwitch VTF DVSCisco Nexus 2000、3000、5000和7000系列Cisco Nexus 9000系列Cisco ASR 9000系列策略面板虚拟拓扑系统采用了一个功能强大的策略面板，因此可利用一个声明式策略模型来获知用户意图并将其转化为特定的设备级概念。

该解决方案提供了多种多样的模块化策略设计，用户可将其灵活组成用户定义的服务，将其应用于服务供应商和云环境中的多种用例。

这些策略设计通过一组REST API呈现，而各种协调器和应用均可利用这些REST API来表述用户意图。

此外也可通过虚拟拓扑系统GUI来对这些REST API进行实例化。

策略模型被表述为系统策略或服务策略。

系统策略使管理员能够以逻辑方式在数据中心内部或跨数据中心将设备组合为群集，以定义拥有共同系统参数（例如带分布式第2层和第3层网关的BGP-EVPN控制平面）的管理域。

这一功能支持棕地部署，因此可实现出色的灵活性和投资保护。

服务策略可获取用户及应用的意向及目的，然后由虚拟拓扑系统将其转换为网络结构，从而使复杂的网络服务链及图表更容易理解和使用。

库存模块在虚拟拓扑系统域中建立了一个可用物理实体（例如，数据中心互联[DCI] 路由器和机架顶端[ToR]、网脊和叶边交换机）和虚拟实体（例如VTF）数据库。

该数据库还包含这些实体之间的连接并详细说明了一个虚拟拓扑系统域中例示的所有服务。

资源管理模块负责对虚拟拓扑系统域中的所有可用资源库进行管理，包括VLAN、VXLAN网络标识符（VNI）、IP 地址、组播分组及网络地址转换[NAT] IP 地址库。

控制平面控制平面模块专门用作SDN控制子系统，负责对各种数据平面进行编程：x86服务器上的VTF、硬件ToR交换机、DCI网关等。

控制平面托管着一个全功能Cisco IOS® XRv软件实例，在DCI 网关之间或为BGP路由反射器执行路由对等功能。

Cisco IOS XRv是思科荣获大奖的Cisco IOS XR软件的虚拟化版本。

它是部署最为广泛、最受赞誉的网络操作系统，十多年来在几百家服务供应商的网络中取得出色运行效果。

Cisco IOS XRv为虚拟拓扑系统解决方案提供了一个特性丰富、成熟稳定的BGP代码库，确保了性能优异的可扩展运行。

控制平面为从ToR交换机或软件VXLAN隧道端点（VTEP）发起的VXLAN覆盖层提供了一个基于MP-BGP EVPN的控制平面。

设备管理模块为虚拟拓扑系统提供了强大的设备配置和管理功能，通过多协议支持可支持一个多厂商环境。

思科虚拟拓扑转发器虚拟拓扑系统可配备一个虚拟拓扑转发器（VTF）。

VTF是一个轻型多租户软件数据平面，专门用于支持x86服务器上的高性能分组处理。

VTF使用了思科一种名为矢量分组处理（或VPP）的创新技术。

VPP是一个特性齐全的网络堆栈，带有一个高度优化的软件转发引擎。

VTF利用VPP技术和Intel Data Path Development Kit（DPDK-英特尔数据路径开发套件）进行高性能的L2、L3和VXLAN分组转发，可在单个CPU核心上实现10Gbps吞吐率。

VTF是一个多线程工具，客户可分配更多CPU核心，以提升其性能。

虚拟拓扑系统可将VTF用作一个Software VXLAN Tunnel Endpoint（VTEP-软件VXLAN隧道端点），从而能在主机服务器上端接VXLAN隧道。

VTS还能将物理和虚拟端点接合在单个VXLAN 网段，从而支持混合覆盖层。

VTF提供特性齐全的网络堆叠功能，包括面向IPv4和IPv6的第2层转发和第3层路由、基于策略的路由（PBR）、VXLAN和基于通用路由封装（MPLSoGRE）覆盖层的多协议标签交换。

Intel DPDK和思科VPP技术互为补充。

VTF结合两者的优势，提供了业界性能最出色的多租户软件转发器。

硬件交换机：ToR、接入、网脊及汇聚虚拟拓扑系统为Cisco Nexus 2000系列矩阵扩展器和Cisco Nexus 3000、5000、7000和9000系列交换机提供了自动化和可编程功能，从而将一组强大的软件定义网络（SDN）功能扩展到了整个Cisco Nexus产品系列。