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思科ACI原创核心技术大咖解密ACI的诞生始末

一路走来,ACI的开发和投产已经过去了五年时间,我们学到了很多。我们的客户在利用程式化或API驱动的网络管理方面,远比我们所预想困难得多。这个技能上的鸿沟虽然在缩小,但仍存在于许多客户之间。我们可能应该更快地提供一个纯软件版本的ACI,这样就能尽早地部署到更多环境。

作者:Tom Edsall来源:51CTO|2019-05-05 13:01

ACI的正式开发始于2012年1月,而引发思考并最终带来ACI的初心却可以追溯到12年前。2000年,我们一伙人启动了思科史上的***内部创业,Andiamo Systems,开发光纤通道交换机MDS系列。这是一个非常有意思的项目,它引入了若干崭新的思路。此前,我们设计了思科的Catalyst 5000、6000和6500这些传统的以太网交换机。但与以太网不同,光纤通道网络是具备结构化寻址、多路径且无损耗的二层网络。那时候,这些概念在以太网上并不存在,而价值却显而易见。

Andiamo之后,我们几个人继续开发思科的Fabric Path技术,以及IETF的TRILL,时间是2003年至2011年期间。这时,我们利用叠加网络,将多路径技术引入到二层以太网。Fabric Path采用专有封装,TRILL则更多基于标准的技术路线。我们还带来了所谓的融合以太网,它同时支持无损与有损流量类别以及Fabric Path。TRILL引入了我们都很喜欢的协议学习,但不幸的是,它在市场上并不是很成功。在那段时间,我们还同VMWare定义了VxLAN包格式,它源于LISP及DCI技术的相关工作。

2012年1月,我们开创了Insieme Networks,致力于整合Fabric Path、融合以太网、VxLAN,以及崭露头角的软件定义网络(SDN),来开发新一代的数据中心网络。在进行这些工作时,一个灵感击中了我们:网络配置与管理的方式同样需要根本性地转变,以降低数据中心的运营成本,提升灵活性、改进安全性并减少人为失误。最终的产物现在大家都知道了,就是“以应用为中心的基础设施(ACI)”以及“基于意图的网络(IBN)”。

思科/ACI

在整合之初,我们解构了其中每一项技术,试图理解基础组件都有什么,它们实现了什么目的,及其如何支撑最终的解决方案。我们提了成百上千个问题,诸如:“到底什么是三层转发”,“为何二层网络的配置要少得多”,“为什么要洪泛ARP”。每个问题,都为我们最终保留或放弃某个组件提供了深层见解。我们希望获得三层网络的所有好处、二层网络的所有好处、叠加网络的所有好处,但拒绝它们的缺点。我们期待一个系统可以轻松扩展至***型数据中心的规模,同时也适用于最小规模的数据中心。我们还期待这个系统,它的使用者不太容易因犯错而造成宕机,也没有单点故障,还能与现有环境融洽相处。

我们***讨论的关键问题之一就是如何扩展叠加网络。从一开始我们就认识到,在TOR交换机上实现VxLAN,与那时候刚出现的纯软件方案相比,有着巨大的优势。数据中心的交换机大概比服务器少40倍,这是一个经典的分布式系统问题,因为扩展紧耦合元件的数量是最难的。然而在这个问题上,我们的执行管理层对设计团队追得很紧。过去有许多案例,当产品最终交付时,其原始的可扩展性目标就已经不够了。管理层追问我们是否还能做得更好;同时我们也开始听说,在这个问题上,一些初创公司或许实现不了其野心勃勃的目标。最终,在六个月的开发努力后,我们停掉手头的一切,推倒之前的全部工作——我们大概八个人把自己锁在屋子里整整一个月,重新设计了所有的硬件。我们苦苦思索着决定系统规模的网络状态处理机制。为维持系统的正常运行,必须进行众多网络状态的同步;而在分布式系统中,状态的规模是一个函数,它与状态同步的数量大小、地方多少、频率高低及其机制的健壮程度都有关系。我们开发的方案将全局状态分成两类:端点位置与策略。端点位置可以较快地变化,以适配应用的移动、服务器的上下线以及网络元件的失效。我们将这类状态尽可能减少,只需要在两个地方同步即可保障其行为正常,并与网络的大小无关;而当发生错误时,它完全能够自我修正。策略的状态比端点位置的状态复杂得多,但它不常变化、变化时也更好预测,而且毋需扩散至整个系统。结合这两种状态的处理机制,我们最终得到了一个好得多、快得多、健壮得多的可扩展性方案。对于这一问题的***解决,我们尤为自豪。

该方案的另一大重要组件是APIC控制器。那个时候SDN网络的呼声甚嚣尘上,后起之秀们鼓吹集中式控制器可以解决所有的网络问题。大家都来问思科,你们的SDN策略是什么,还有一些人预言它会终结思科。我们看到集中式控制器的优点,是它提供了对网络的单点联络,保障了整个矩阵配置的一致性;将网络整体视为单一组件,而并非网络设备的堆砌,所有这些都将大幅降低运营成本,并提升灵活性与可用性。然而,控制器也引入了单点故障,或者说它必须足够可靠,最终至少达到与此前的无控制器网络同等的可靠性。我们的方案是在任何关键路径上拿掉控制器。这样,即便控制器由于何种原因离线,网络也能继续工作;与此同时从管理视角而言,它仍然可作为单一的联络点。这意味着控制器并不会降低、实际上反而增强了网络的可用性。***限度的可用性是我们的首要目标,而将控制器从关键路径上移除的同时,还使得软件的升级更容易并且控制器的规模更大。方便的升级与更好的规模,已显著地加速了并将持续加速我们的开发周期。

我们为ACI开发的策略模型,对整体方案而言是一个关键组件。由于这是在网络管理领域引入了一个全新范式,对我们而言***挑战。我喜欢这样来描述它:传统网络有自己的语言来配置并操作;数据中心网络是承载应用的,而应用也有自己的语言。IT专业的主要工作,就是将应用的语言翻译成网络的语言——而恰恰就是这个环节产生了错误、丢失了信息、浪费了金钱。我们试图用ACI的策略模型来变革网络的语言——使其更贴近应用的语言,以减少错误、缩短时间、降低成本。ACI策略描述的是服务器之间的对话,与它们在网络上的位置、桥接还是路由、数量的多少都无关,并尽***可能与其IP地址解耦。这带来了一种更加自动化的、更为安全地配置并管理数据中心网络的方式。今天,我们把这种机制称为基于意图的网络——IBN。

一路走来,ACI的开发和投产已经过去了五年时间,我们学到了很多。我们的客户在利用程式化或API驱动的网络管理方面,远比我们所预想困难得多。这个技能上的鸿沟虽然在缩小,但仍存在于许多客户之间。我们可能应该更快地提供一个纯软件版本的ACI,这样就能尽早地部署到更多环境。我们的对象模型并不***:它很强大,然而要花许多时间来学习。虽然不是刻意为之,但我们基本上让VxLAN的叠加消失了——管理员不需要刻意地配置并管理它。这一点可能比许多人意识到的更加重要、更有价值。我认为对于在网络上植入4-7层服务,我们提供的支持已经超过了实际需求。我们或许应该引导业界,采纳少量的标准方式即可导入这些服务。这耗费了我们过多的工程资源。

这么多年来开发ACI的相关技术与ACI本身,带来了无穷无尽的技术挑战、无数问题解决的惊险激动、改变行业的成就感,及其对同事、员工和客户所产生积极影响的无上喜悦。尽管来日方长,但到目前为止,这已是一个伟大的历程,并为我提供了一段非常令人满意的职业生涯。

Tom Edsall

思科院士/ACI之父

【责任编辑:周雪 TEL:(010)68476606】

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