Underlay网络：如何立住可靠又支持大规模无收敛的“人设”
摘要：Underlay网络要如何演进，才能满足5个9的指标？
这几年公有云业务急速上涨，network as a service理念越来越深入人心。云厂商给租户提供了越来越丰富的云服务，VPC、LB等服务功能越来越完善。这需要网络提供灵活编程的能力，可以针对租户的业务诉求迅速改变策略。而这一理念其实与传统的网络是背道而驰的。在传统网络观念中，信奉“稳定压倒一切”的套路，为了保证网络稳定，需要尽量减少对于网络的配置变更。那么，在云的环境下，网络如何自处才能满足既稳定又灵活的要求？
为满足云业务的需要，网络逐渐分化为underlay和overlay。Underlay网络就是传统数据中心的路由交换设备，依然信奉稳定压倒一切的理念，提供可靠的网络数据传输能力；overlay则是在其上封装的业务网络，更加跟服务贴近，通过VXLAN 或者GRE等协议封装，给租户提供一个易用的网络服务。Underlay网络和overlay网络即关联又解耦，两者相互关联又能独立演进。
今天主要是讲一下underlay网络的演进策略。Underlay网络是整个公有云的地基，承载网络不稳，业务便无SLA可言。特别随着云上承载的业务越来越庞大，客户越来越多，对于underlay网络的稳定性要求越来越高。Underlay网络要如何演进，才能满足5个9的指标？
传统的“胖树”网络，结构简单，维护方便，但是随着组网规模的扩大，却存在很多问题。
1、 二层稳定性问题
传统以POD为拓展交付单元的网络，POD使用大规格交换机做汇聚，POD内多为二层组网。破解二层环路的常用方案有2种：STP+VRRP、堆叠
VRRP+STP是传统数据中心最常用的组网方案，网关通过VRRP冗余，环路通过STP破环，真是传统网络的“黄金搭档”。然而，随着组网规模做大，当TOR的数量达到100台以上时，stp协议会面临较大挑战，计算偶然性错误，收敛时间慢等。100台TOR，按每台40个下行口计算，服务器双归接入，可以支持规模2K。规模也还算可观，可一旦STP出现问题，2K服务器全都受影响，就不太能接受了。
堆叠，堆叠可以直接规避掉环路的问题，维护起来也简单很多。可是堆叠终究也是一个大二层，大二层就存在风暴一起瘫的风险。并且堆叠系统无法平滑升级，一直是运维工程师心中的痛，汇聚一堆叠，升级的风险就太大了。
2、 带宽收敛问题
胖树结构，通过增加上层设备的线路带宽和线路数量的方式增加带宽。但随着规模的增加，下挂服务器越来越多，TOR越来越多，汇聚到核心的连线往往不足以实现无收敛组网。且再多的连线，都是从某台设备上出来的，此设备故障，带宽损失太严重。
3、 拓展性问题
按照AWS提供的数据，一个云数据中心的规模，在6W时的规模收益是最大的。而胖树方案要支持6W台服务器接入，基本不太可能。哪怕真的接上了，任何一台骨干设备故障，引起的网络问题是难以预计的。就跟电影《长城》中饕餮的阵型一样，所有饕餮都围绕兽王行动，兽王一死全军覆没。
那么在公有云的业务诉求中，underlay网络如何发展，才能满足它即可靠又支持大规模无收敛的“人设”呢？那当然是clos，scale out，anycast等潮流玩法（也没那么潮流，人家10年前就做出来了）
给大家分享一下google和Facebook的做法，这两家公司的组网堪称业绩标杆。
Google：
Google还是保留了类似于POD的概念，但他们的POD有4台汇聚，而且上行所对接的核心数量，想要多少有多少，完全超出了传统的范畴。N个核心之间与每一个POD汇聚之间都有互联，任意两个POD之间，有4*N条线路互通，任意一条挂掉，基本无影响。
POD四台汇聚，网关在哪里？这么多条线路，怎么做的管理和路由？
要做成这样的组网，肯定不是改改连线方式就能搞定的。underlay的网关需要下沉到TOR上，TOR上行汇聚直接跑动态路由协议，汇聚和核心之间也跑动态路由协议，形成多条等价路径。报文可以随意转发，条条大路通罗马。
传统的OSPF、BGP等动态路由协议，能支持的ECMP路径毕竟是受限的。Google自己改造了传统的动态路由协议，让他可以支持更多地等价路径，更快速地发现线路问题。
Facebook：
上图是Facebook典型的乐高组网，分了多个层次多个平面。下层的每一个平面对应了一个POD，POD的汇聚有自己组成多个平面与核心之间组成一个上一级POD。
这样看可能会有点晕，我们简化一下如下：
- 每一个POD有48台TOR，每台服务器只出1根线接入到1台TOR
- 每一台TOR上行对接4个汇聚，每一个汇聚上行对接48个核心
- 任意2台服务器之间，有4*48=192条通路
- 任意1台TOR故障，软件自己做冗余，业务不受影响
- 任意1台汇聚或核心故障，业务基本不感知
这样的组网，业务跑在上面，是不是有一种很踏实的感觉。
总结一下这两家公司网络的特点：
1、去中心化，不再存在唯一的汇聚或者核心，而是拓展了多台
2、网关下沉到TOR，TOR以上为路由转发，抑制二层广播域扩散
3、多条等价路径，核心汇聚之间线路冗余高，任何一台设备一条线路故障基本无影响
以上是我们可以直接从物理图上看出来的，而在“看不到”的地方，还做了更多地优化：
1、 硬件设备控制器，所有设备统一管理，配置标准化
2、 设备监控信息上报通道，任何链路皆有完善监控
3、 流量调度能力，线路有拥塞，流量调度到其他链路
当然，还有好多优化，是笔者无法知道的，但这些优化肯定都有一个共同的目的：网络更加稳定。
互联网的设计理念，永远不相信单点的可靠性。要通过冗余设计，达到任何一个节点故障，均无法影响整体业务的目的。基础网络也是如此，随着云上承载的业务越来越多，若底层网络不稳定，受损的业务会越来越多，造成的损失不是扛可以扛过去的。所有底层网络的设计理念，必然要围绕“无论如何业务都不能down”的方向努力。Google、Facebook的组网算是我们的先驱，国内的各个云厂商其实也在用类似的组网方案。
物理架构的fabric，带来的是工程上的可靠性。而很多的故障模式，物理架构不一定能cover住。还必须要设计出与之匹配的软件，才能更好的保证网络的稳定运行。相比于物理架构来说，监控、调度等软件能力的补齐更加重要。
现在越来越多的公司在推行“白牌”交换机，其实是把传统交换机的系统打开了，给传统封闭的交换机系统打上API接口，可以通过编程系统直接调度，获取内部更多信息，以方便针对各种情况，做出调整。比如，交换机丢包分析，远程抓包，指定流监控，指定流调度等能力。
传统的交换机，虽然功能齐全，但是相对于公有云来说，齐全的功能未必不是一种累赘。刚好齐全的功能，加上开放可编程的系统，才是云的需要。你看，AWS都要自己出交换机了。
