[VMware KA] VMware NIC Teaming技术探讨

文章原出处           http://delxu.blog.51cto.com/975660/276642

首先，说明几个知识要点：

(1) 所有3种类型的VMware网络都支持NIC Teaming （复习提问：哪3种类型？答：VMkernel, Service Console和VM port group）
(2) uplink连接到那些物理交换机的端口都必须在同一个Broadcast domain中。（也就是必须在同一个VLAN中，不能跨路由）
(3) 如果uplink要配置VLAN，则每个uplink必须都配置成VLAN Trunk并且具有相同的VLAN配置。
(4) VMware的负载均衡(Load Balancing)只是出站(Outbound)的负载均衡。（概念类似于HP术语中的TLB。关于HP负载均衡的术语详见拙文《HP NIC Teaming技术探讨》，但是它和TLB其实不同，关于这一点，请看后文解释）
(参考：p192. Scott Lowe, 《Mastering VMware vSphere 4.0》)
(5) NIC Teaming的Load Balancing和一些高级路由算法的Load Balancing不同，它不是按照Teaming中网卡上通过的数据流量来负载均衡，而是根据网卡上的连接(connection)来进行负载均衡。

【VMware的3种负载均衡】

VMware的NIC Teaming Load Balancing策略有3种。
(1) 基于端口的负载均衡(默认)
(2) 基于源MAC的负载均衡
(3) 基于IP hash的负载均衡

基于端口的负载均衡 (Route based on the originating virtual port ID)

这种方式下，负载均衡是基于vPort ID的。一个vPort和Host上的一个pNIC(从vSwitch角度看就是某个uplink)捆绑在一起，只有当这个pNIC失效的时候，才切到另外的pNIC链路上。这种方式的负载均衡只有在vPort数量大于pNIC的数量时才生效。

什么是vport？一个VM上的vNIC或者某一个VMKernel或者Service Console的某个vswif。用一个图来直观的表述，vPort在下图中显示为vSwitch上左侧的那些绿点。而pNIC在图中显示为右边的vmnicX。(还记得创建一个vSwitch时候，默认的port数是56吗？你可以设置一个vSwitch的Port数为8，24，56，120，248，504或1016，看出什么规律来了没？对的，是2的某次方减8。这是因为VMKernel需要保留8个port的缘故)

对于VM来说，因为某台VM的vNIC是捆绑在某一个pNIC上的，也就是说这台VM(如果只有一个vNIC的话)对外的数据流量将固定在某一个pNIC上。这种负载均衡是在VM之间的均衡，对于某一台VM而言，其uplink的速率不可能大于单个pNIC的速率。此外，只有当VM的数量足够多，并且这些VM之间的数据流量基本一致的情况下，Host上的NIC Teaming的Load Balancing才较为有效。对于以下这些极端情况，基于端口方式的负载均衡根本不起作用或者效果很差，充其量只能说是一种端口冗余。

(1)Host上只有一台只具有单vNIC的VM (此时完全没有Load balancing)
(2)Host上的VM数量比pNIC少(比如有4台VM但是Teaming中有5块pNIC，此时有一块pNIC完全没用上，其他每个vNIC各自使用一块pNIC，此时也没有任何负载均衡实现)
(3)Host上虽然有多台VM，但是99%的网络流量都是某一台VM产生的

基于源MAC地址的负载均衡 Route based on source MAC hash

这种方式下，负载均衡的实现是基于源MAC地址的。因为每个vNIC总是具有一个固定的MAC地址，因此这种方式的负载均衡同基于端口的负载均衡具有同样的缺点。同样是要求vPort数量大于pNIC的时候才会有效。同样是vNIC的速率不会大于单个pNIC的速率。

基于IP Hash的负载均衡 Route based on IP hash

这种方式下，负载均衡的实现是根据源IP地址和目的IP地址的。因此同一台VM(源IP地址总是固定的)到不同目的的数据流，就会因为目的IP的不同，走不同的pNIC。只有这种方式下，VM对外的流量的负载均衡才能真正实现。

不要忘记，VMware是不关心对端物理交换机的配置的，VMware的负载均衡只负责从Host出站的流量(outbound)，因此要做到Inbound的负载均衡，必须在物理交换机上做同样IP Hash方式的配置。此时，pNIC必须连接到同一个物理交换机上。

需要注意的是，VMware不支持动态链路聚合协议(例如802.3ad LACP或者Cisco的PAgP)，因此只能实现静态的链路聚合。(类似于HP的SLB)。不仅如此，对端的交换机设置静态链路聚合的时候也要设置成IP Hash的算法。否则这种方式的负载均衡将无法实现。

比如Cisco 3560上的默认Etherchannel的算法是源MAC，因此需要将其修改成源和目的IP。 首先查看交换机的负载均衡的算法： show etherchannel load-balance 然后用修改负载均衡算法为src-dst-ip port-channel load-balance src-dst-ip

要点：配置IP Hash方式pNIC对端的物理交换机端口，要记得关闭802.3ad LACP和PAgP以减少这些动态协议带来的不必要网络开销，加快链路在failover时的转换速度。

这种方式的缺点是，因为pNIC是连接到同一台物理交换机的，因此存在交换机的单点失败问题。（这和HP SLB的缺点一样，详见拙文《HP NIC Teaming技术探讨》）。此外，在点对点的链路中（比如VMotion），2端地址总是固定的，所以基于IP Hash的链路选择算法就失去了意义。

不管采用以上哪一种方法的Load Balancing，它会增加总聚合带宽，但不会提升某单个连接所获的带宽。为啥会这样？同一个Session中的数据包为啥不能做到Load Balancing？这是因为网络的7层模型中，一个Session在传输过程中会被拆分成多个数据包，并且到目的之后再重组，他们必须具有一定的顺序，如果这个顺序弄乱了，那么到达目的重组出来的信息就是一堆无意义的乱码。这就要求同一个session的数据包必须在同一个物理链路中按照顺序传输过去。所以，10条1Gb链路组成的10Gb的聚合链路，一定不如单条10Gb链路来的高速和有效。（详见Fraizer: IEEE 802.3ad Link Aggregation (LAG) - What it is, and what it is not)

【选择】
那么应该选择哪种NIC Teaming方式呢？大拿Scott Lowe建议：

• 如果使用链路聚合，必须设为“Route based on IP hash”

• 如果不是使用链路聚合，可以设为任何其它设置。大多数情况下，接受默认设置“Route based on originating virtual port ID”是最好的。

【更好的选择及其缺陷】
还有没有更好选择？答案是有。Cross-Stack Link Aggregation，跨堆叠交换机的链路聚合。

堆叠交换机通过堆叠线连接在一起，组成一个交换机堆叠栈。堆叠栈中的交换机共享同一个Forwarding Table。
堆叠交换机组在逻辑上被视作1台交换机，但是在物理上则是2台或多台不同的设备。
这和NIC Teaming是不是很像？
Teamport 在逻辑上是一个端口，但是在物理上却是2个或多个端口。
(突然想到，在一切都套上“虚拟化”的帽子的今日，不知道以后交换机堆叠技术会不会改名为交换机虚拟化？就像存在了多少年的RAID突然被套上了磁盘虚拟化的帽子一样，笑~~)

如图，SLB中的2条链路就可以不局限在同一台物理交换机上了，而可以分别连接到2台堆叠在一起的物理交换机上(切记，交换机堆叠必须连成环以保证冗余性)。此时，SLB的最大缺陷——交换机的单点失败就被克服了。这样，就可以既达到容错又达到双向负载均衡的目的了。



但是，这种方式的缺点是要求物理交换机具有堆叠能力。很遗憾的是，HP支持工程师告诉我，到目前为止，HP用于c-class刀片服务器机箱的所有以太网交换机都不支持堆叠。(信息获取时间2010年1月，不排除以后HP会提供支持堆叠的刀片交换机)

【参考文档】

本文的主要参考的文档如下：
(1) Scott Lowe, 《Mastering VMware vSphere 4.0》
(2) VMware Infrastructure 3环境下的物理网络设计 (Scott Lowe)
http://www.searchsv.com.cn/showcontent_14740.htm?lg=t
(3)如何在VMware ESX上实现网卡聚合？
http://www.searchsv.com.cn/showcontent_24716.htm
(4) ESX Server, NIC Teaming, and VLAN Trunking （Scott Lowe)
http://blog.scottlowe.org/2006/12/04/esx-server-nic-teaming-and-vlan-trunking/
(5) IEEE 802.3ad Link Aggregation (LAG) - What it is, and what it is not
http://www.ieee802.org/3/hssg/public/apr07/frazier_01_0407.pdf