數據中心HA設計測試需求分析及全局HA測試方法

　　高可用性需求是數據中心最重要的需求之一，由于數據中心承載著(zhù)網(wǎng)絡(luò )中的重要業(yè)務(wù)數據，所以業(yè)務(wù)的高可用性（即業(yè)務(wù)的連續性）受到極大關(guān)注。不同等級的數據中心對網(wǎng)絡(luò )的高可用性有著(zhù)不同的要求，但設備和鏈路的冗余設計是最基本最普遍的要求，而區別主要在于網(wǎng)絡(luò )故障對業(yè)務(wù)恢復的快慢影響。對數據中心而言，高可用性涉及到網(wǎng)絡(luò )、服務(wù)器、存儲、電力、制冷等多個(gè)方面的因素，本文主要闡述數據中心網(wǎng)絡(luò )架構的高可用需求以及典型測試案例。

　　1 數據中心HA設計需求

　　1.1 數據中心HA設計的重要性

　　網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)和鏈路的故障總是無(wú)法完全避免的，所以提升網(wǎng)絡(luò )可用性的重要方法之一是整體架構的冗余設計，通過(guò)設備或鏈路失效時(shí)的備份接管，盡量減少系統的故障恢復時(shí)間。

　　表1是不同等級的可用性與總故障時(shí)間（以一年為時(shí)間段）的對應關(guān)系表：

　　表1 不同等級可用性與一年內的總故障時(shí)間的對應關(guān)系

　　為什么數據中心網(wǎng)絡(luò )的可靠性如此重要呢？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，有以下幾個(gè)方面原因：

　　1、業(yè)務(wù)的多樣性和高度集中性

　　無(wú)論是從機房規模、業(yè)務(wù)種類(lèi)，還是架構復雜性方面，今天的數據中心都在快速擴展。高性能服務(wù)器、虛擬化和高速以太網(wǎng)等新技術(shù)都著(zhù)眼于將多種流量類(lèi)型，如數據、存儲、視頻和語(yǔ)音等匯聚在單一的網(wǎng)絡(luò )架構中。業(yè)務(wù)的高度集中使得網(wǎng)絡(luò )故障的影響和損失擴大，從而也提高了對網(wǎng)絡(luò )可靠性的需求。

　　2、超大型數據中心對高可靠性的需求

　　超大型數據中心，尤其是一些重載型數據中心，其對網(wǎng)絡(luò )的利用率及鏈路帶寬的使用具有很高的比率。按一條60%利用率的10GE鏈路來(lái)看，即使中斷0.1秒也會(huì )丟失600M左右的數據。如果按照5個(gè)9的標準計算，一年累計中斷5.256分鐘即 315.36秒，一條10GE鏈路將丟失大約1.892T的數據。越是關(guān)鍵的位置，網(wǎng)絡(luò )故障的影響將越加嚴重，固然對HA的能力要求越高。

　　3、高速鏈路帶來(lái)的丟包風(fēng)險

　　同樣重要的是，現在數據中心邊緣端口正變得越來(lái)越快。正如服務(wù)器中的千兆以太網(wǎng)接口推動(dòng)了交換機的萬(wàn)兆以太網(wǎng)的部署一樣，服務(wù)器萬(wàn)兆接口的普及也將推動(dòng)數據中心核心網(wǎng)對40GE和100GE以太網(wǎng)的迫切需求。帶寬的增長(cháng)自然會(huì )對核心網(wǎng)帶來(lái)更大的HA風(fēng)險。40GE或100GE的鏈路故障帶來(lái)的損失更加嚴重，如果鏈路承載了關(guān)鍵業(yè)務(wù)的重要數據，這樣的損失將是不可接受的。用戶(hù)對可用性的要求隨著(zhù)設備性能的提高，只會(huì )越來(lái)越苛刻。

　　4、云計算對基礎設施高可靠性需求的提高

　　目前云計算正逐漸成為一種現實(shí)，而且越來(lái)越多的私有云和公共云的部署使用都已經(jīng)充分證明了其存在的意義?；A設施即服務(wù)（IaaS）的吸引力也在不斷增加。有多種能力可以增強IaaS云的可用性，例如實(shí)時(shí)遷移、動(dòng)態(tài)資源調度和自動(dòng)重啟等。虛擬機的實(shí)時(shí)遷移產(chǎn)生了額外的網(wǎng)絡(luò )流量，這對于已經(jīng)處于高負荷狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò )提出了額外的需求，所以實(shí)際的結果可能導致性能或可用性的進(jìn)一步惡化。網(wǎng)絡(luò )延時(shí)和丟包會(huì )導致虛擬機遷移的失敗，在實(shí)時(shí)遷移過(guò)程中測量虛擬機的停機時(shí)間，以及大規模虛擬機遷移的成功率等都是數據中心HA的新關(guān)注要點(diǎn)。

　　1.2 全局測試與數據中心HA

　　隨著(zhù)數據中心網(wǎng)絡(luò )的不斷變化和發(fā)展，一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題是：怎樣才能盡可能的了解真實(shí)網(wǎng)絡(luò )的HA故障切換指標？這種情況下，全局性的測試方法有助于確保實(shí)現復雜的相關(guān)功能和多設備的組合運用。“全局測試”不僅可以測試單個(gè)數據中心組件，而且可以測量整個(gè)數據中心的能力，并產(chǎn)生有意義的結果。全局測試還可以涵蓋TCP/IP的所有層次，并且可以測量通過(guò)數據中心網(wǎng)絡(luò )任意路徑的流量。在一個(gè)數據中心環(huán)境中，全局的HA測試意味著(zhù)不僅是只對單個(gè)網(wǎng)絡(luò )組件的HA性能進(jìn)行測試，還要確保每一個(gè)組件與數據中心其它新舊組件配合起來(lái)協(xié)同運作的可靠性和整體的HA能力。

　　全局測試的特點(diǎn)是基于真實(shí)應用的流量模擬來(lái)衡量網(wǎng)絡(luò )的整體指標，通過(guò)對流量特征的構造模擬，精確統計網(wǎng)絡(luò )的功能、性能和HA各項指標?；跍y試結論分析評估網(wǎng)絡(luò )整體架構的合理性、擴展性等，為網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化提供數據參考。通過(guò)采用全局性的整體方案驗證和性能測量方法，能夠使這種復雜系統的測試評估更加簡(jiǎn)化。

　　2 全局的HA測試方法

　　2.1 流量模擬

　　數據中心的業(yè)務(wù)流量主要分為服務(wù)器之間的內部流量和用戶(hù)端與服務(wù)器之間的外部流量，也稱(chēng)為“東西向”流量和“南北向”流量。對應RFC規范中定義的測試流量類(lèi)型則是“非網(wǎng)格型”和“部分網(wǎng)格型”，兩者的組合可以看作“全網(wǎng)格型”。由于轉發(fā)路徑和設備的處理方式不同，HA測試中需要同時(shí)關(guān)注這兩類(lèi)流量的故障恢復情況。如圖1所示。

　　圖1 數據中心流量模擬

　　2.2 故障事件模擬

　　通過(guò)模擬網(wǎng)絡(luò )失效來(lái)計算HA指標，可以簡(jiǎn)單的將失效歸類(lèi)為鏈路故障、板卡故障、設備故障、多設備故障和站點(diǎn)故障。這些故障事件發(fā)生的概率依次降低，所以HA測試的關(guān)注點(diǎn)主要集中在鏈路、板卡和設備故障上，這也是數據中心網(wǎng)絡(luò )HA設計的最基本要求。常用的操作方式為接口的Up/Down 、線(xiàn)卡的拔出/插入、機框的加電/斷電等，特殊情況下也可以通過(guò)測試儀或被測設備的系統軟件功能來(lái)模擬HA事件。

　　2.3 HA測試量化統計

　　通過(guò)HA測試，不僅可以驗證被測系統在某些異常情況下是否可以保證功能的可用性，同時(shí)也可以通過(guò)精確統計得到業(yè)務(wù)流量中斷的量化指標。通過(guò)測試儀器構造一定速率的數據報文經(jīng)過(guò)被測系統轉發(fā)，模擬某些故障情況下的報文丟失并統計出數量，從而計算出流量的中斷時(shí)間，來(lái)衡量被測系統的HA性能指標。計算公式如下：

　　故障失效恢復時(shí)間=（發(fā)包端口發(fā)包數-收包端口收包數）÷ 鏈路轉發(fā)速率

　　也可以通過(guò)L4-L7層測試儀模擬上層業(yè)務(wù)交互來(lái)更直觀(guān)的了解被測系統在各類(lèi)異常情況下對業(yè)務(wù)的影響。如圖2所示。

　　圖2 BPS測試儀顯示TCP新建連接抖動(dòng)情況

　　對于通過(guò)測試儀發(fā)起或參與的模擬網(wǎng)絡(luò )事件的測試項，還可以通過(guò)測試儀自身提供的高精度采樣功能來(lái)更加精確統計設備或網(wǎng)絡(luò )的性能。例如，在通過(guò)測試儀發(fā)送路由表項來(lái)測試設備的路由學(xué)習性能時(shí)，可以通過(guò)如圖3所示的高精度采樣功能來(lái)統計時(shí)間。

　　圖3 TestCenter測試儀顯示的高精度采樣功能

　　3 數據中心HA測試案例

　　3.1 IRF典型組網(wǎng)HA測試

　　圖4 數據中心IRF典型組網(wǎng)

　　如圖4所示，這是典型的數據中心網(wǎng)絡(luò )（接入5120+核心12500）兩層拓撲結構，核心層兩臺 S12500采用IRF模式，可以簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )邏輯結構，提高設備利用效率并簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )管理。接入層采用5120EI交換機做二層雙上行接入，接入層鏈路為跨機筐鏈路聚合。出口設備采用SR6600路由器與12500交換機運行OSPF或BGP路由協(xié)議，12500與SR6600之間都為雙上行三層等價(jià)鏈路。其中，SR6600模擬了廣域網(wǎng)出口設備，但在真實(shí)場(chǎng)景中使用高端交換機較多。5120EI和SR6600分別連接兩個(gè)應用層測試儀（構造具有狀態(tài)特征的 UDP和TCP流量）端口。通過(guò)對設備故障和鏈路故障的模擬，可以直觀(guān)得到組網(wǎng)中應用層業(yè)務(wù)的收斂時(shí)間、IRF和LACP的HA切換時(shí)間等。

　　需要精確統計時(shí)，可以用測試儀以標準報文大小模擬跨S5120EI和SR6600的南北向普通三層數據流，并以Full Mesh方式進(jìn)行測試。記錄異常情況下全局系統的丟包數量從而計算HA中斷切換時(shí)間，重復測試3次記錄平均數據，如表2所示。這些數據對于評估網(wǎng)絡(luò )整體的 HA能力，優(yōu)化應用層業(yè)務(wù)部署都有重要意義。

　　普通流量丟包情況（帶寬500Mbps，128字節，422297 FPS）

　　表2 常見(jiàn)的IRF故障模擬和測試數據

　　通過(guò)測試數據可以很直觀(guān)的了解到整個(gè)網(wǎng)絡(luò )架構中各種應用在不同類(lèi)型的故障情況下HA收斂的好壞指標。比如表2所示，鏈路中斷的HA收斂時(shí)間好于設備重啟的，設備重啟與交換機主控故障的HA時(shí)間相近，交換矩陣故障中斷時(shí)間最長(cháng)等等。在了解到這些異常情況對網(wǎng)絡(luò )的影響程度后，便可以有針對性的通過(guò)網(wǎng)絡(luò )設計和優(yōu)化配置加以改進(jìn)，從而增加整個(gè)網(wǎng)絡(luò )架構的HA能力。

　　3.2 路由典型組網(wǎng)HA測試

　　圖5 數據中心路由性能HA測試組網(wǎng)

　　圖5的測試組網(wǎng)也模擬了典型的數據中心網(wǎng)絡(luò )。接入層交換機使用兩臺真實(shí)設備，在大規格測試項中會(huì )使用測試儀模擬更多的接入交換機。核心設備之間采用普通的三層路由結構，機房或站點(diǎn)間的出口設備“MAN Core”采用一臺高端交換機模擬，MAN Core通過(guò)多條等價(jià)三層鏈路與內部核心Core1和Core2連接。

　　初始情況下，測試儀端口1（與Access1相連）發(fā)向端口2（與Access2相連）的東西向流量是不通的。在測試儀端口2上發(fā)布路由后，等待各設備都學(xué)習到路由后才會(huì )收到報文。記錄測試儀從發(fā)布路由到測試儀收到流量的時(shí)間差，這個(gè)差值就是全網(wǎng)路由學(xué)習時(shí)間。由于采用傳統的測量流量圖記錄時(shí)間的方法誤差較大，可以采用TestCenter3.7版本中的高精度采樣功能來(lái)計算學(xué)習時(shí)間。如圖6所示。

　　圖6 TestCenter高精度采樣

　　為了測試的方便與準確，采用了TestCenter軟件中的command sequence功能執行流量、路由及采樣觸發(fā)的操作：

　　撤銷(xiāo)路由-》停止流量發(fā)送等待10s-》清除所有計數-》等待5s-》開(kāi)始發(fā)送流量-》等待5s-》開(kāi)始高精度采樣-》等待5s-》發(fā)布ospf路由-》觸發(fā)高精度采樣。

　　command sequence執行完成后，等待高精度采樣進(jìn)行10s，然后點(diǎn)擊端口高精度采樣視圖下的show chart：

　　紅線(xiàn)為開(kāi)始出發(fā)發(fā)布路由的時(shí)間，藍色線(xiàn)為流量曲線(xiàn)，測量?jì)蓚€(gè)時(shí)間的時(shí)間差便可得到路由在網(wǎng)絡(luò )中的學(xué)習時(shí)間。

　　Access2相連的測試儀上發(fā)布、撤銷(xiāo)一條路由，在A(yíng)ccess1設備上學(xué)習到的時(shí)間，我們分別使用OSPF和BGP兩種路由協(xié)議測試10次的結果如下：

　　BGP ：

　　撤銷(xiāo)平均值：8.06ms;發(fā)布平均值：1.57s

　　OSPF：

　　撤銷(xiāo)平均值：7.88s;發(fā)布平均值：1.29s

　　測試結果表明BGP路由的撤消收斂時(shí)間明顯優(yōu)于OSPF.為了降低網(wǎng)絡(luò )故障對業(yè)務(wù)的影響，提高數據中心內部的HA性能，采用什么樣的路由協(xié)議一直被很多用戶(hù)所關(guān)注。對于路由協(xié)議的運用，有一些傳統的使用模式，比如在數據中心內部OSPF是被大家廣泛認可、使用較多的路由協(xié)議。而B(niǎo)GP是廣域網(wǎng)上幾乎絕對的域間路由協(xié)議，但它只用于廣域鏈路的觀(guān)念正在慢慢地被改變?；谏鲜龅臏y試結果，越來(lái)越多的用戶(hù)也會(huì )逐漸認可并開(kāi)始實(shí)踐采用BGP作為站點(diǎn)內部路由協(xié)議的解決方案。

　　4 結束語(yǔ)

　　通過(guò)全局的組網(wǎng)HA測試，我們可以模擬數據中心真實(shí)的應用場(chǎng)景和業(yè)務(wù)類(lèi)型，直觀(guān)和精確的了解不同類(lèi)型的故障下HA的收斂情況。也可以了解不同技術(shù)和協(xié)議在特定組網(wǎng)中的HA性能對比情況，根據其特點(diǎn)和優(yōu)劣勢來(lái)做出選擇，從而更好的設計和優(yōu)化用戶(hù)的真實(shí)環(huán)境。