PortLand数据中心架构

PortLand是2009年提出的一种数据中心架构模式，它解决了传统架构的几种不足，具有以下几个优点：虚机迁移IP不变且原连接正常；部署前不需要人工配置交换机；任意主机可达；无环；链路失败检测。PortLand采用的是二层架构模式，方便扩容、迁移，同时解决了二层ARP，广播等带来的问题。
下图是几个胖树拓扑（Fat tree）的例子，也是PortLand采用的拓扑。拓扑为三层拓扑，从上而下分别是核心层、汇聚层和边缘层。边缘交换机下连主机，上连汇聚层，一个主机连接一个边缘交换机。几个汇聚层交换机（文中为2个）和几个边缘交换机（文中为2个）互连组成一个Pod。每个汇聚层上连2条链路到核心层，注意一个Pod上连的核心交换机各不相同，这是为了充分负载和容错的考虑。
fattree

1.Fabric Manager

Fabric Manager（以下简称FM）为集中化管理的软件，主要用于处理ARP，链路容错以及多播报文等问题。为了保证健壮性，同样对FM做主备，防止单个FM失败带来的全网不通的问题。

2.MAC地址

二层架构导致了MAC地址成为本文问题的关键。PortLand提出了PMAC的概念（Pseudo MAC），也就是一个层次化的假的MAC地址，每台主机分配一个PMAC地址，同时主机还有一个AMAC（Actual MAC），即原MAC地址。主机在访问别的主机时会修改目的和源主机的AMAC地址为PMAC地址，这部分工作由源主机上联的边缘交换机完成，然后，在目的主机上联交换机处将目的PMAC改为AMAC，使得报文可以送达目的主机。
PMAC地址的格式如下：pod.position.port.umid。其中，pod(16 bits)代表边缘交换机所在的pod号码；position(8 bits)表示pod内部的位置；port(8 bits)表示主机所上连的边缘交换机的端口号；umid(8 bits)为主机标识号，递增序列，且存在超时机制，超时则回收并重新使用。
下图给出了一个AMAC到PMAC映射的例子。当一个边缘交换机发现某个MAC地址（AMAC）未被学习过，则报文被至FM，FM创建AMAC+IP到PMAC的映射，该条目下次用于回复ARP。
amac2pmac

设置PMAC的本质是为了分离位置信息和名字信息，使得主机同时具有位置（PMAC）和名字（AMAC）两大信息，方便了主机的迁移，即只需要变更PMAC。我们可以用OpenFlow协议很好的实现本节的内容。

3.ARP

下图展示了FM处理ARP报文的过程，首先是边缘交换机收到ARP报文请求，然后送至FM，FM查表目的PMAC，若有则返回消息，最后边缘交换机发回ARP reply。当然，也可能存在FM不存在目的PMAC的情况，这时候，FM将会发送广播请求给所有主机，然后获取映射关系：ARP先发给核心交换机，然后转发至各个Pod，最后到边缘交换机，再到主机，主机再返回reply给边缘，此时对于之前不存在的主机，将建立映射关系，最后FM将会得到这个映射告知源主机。
arp

需要特殊处理的情况是虚机迁移，一旦一个虚机从一个物理机迁移到另外一个物理机，该虚机将会发送新的IP到MAC的映射给边缘层再给FM。FM发送一条无效消息给虚机之前上联的边缘交换机，告知原映射缓存失效。被动触发更新：若有新连接仍然来到原边缘交换机，则交换机回复新的虚机位置（即新的映射关系），并可以重新转发流量给新的虚机（可选）以保证报文不丢失。

4.位置探测协议

PortLand推出了LDP(Location Discovery Protocol)协议确定各个交换机的位置（核心、汇聚、边缘），PortLand交换机定期从每个端口发送LDM(Location Discovery Message)，用于保活和更新交换机位置。LDM报文包括以下信息：

Switch identifier(switch_id)：交换机的唯一id。
Pod number(pod)：Pod号码。
Postition(pos)：每个pod内的边缘交换机都有唯一的pos号码。
Tree level(level)：0，1，2，分别标识核心、汇聚、边缘。
Up/down(dir)：标识交换机的端口是上联还是下联。

LDM报文的传播可以确定层级关系。边缘交换机只会从和汇聚交换机相连的端口才会收到LDM报文，边缘交换机可以通过连接主机来确定自身关系（只有边缘交换机才会与主机相连接），汇聚交换机可以通过连接边缘交换机来确定自身关系（只有汇聚交换机才会连接边缘交换机），核心交换机可以通过其所有端口都连接汇聚交换机来确定自身关系（核心交换机只与汇聚交换机相连接）。具体执行算法如下：
algorithm1

所有交换机都将定期发送ping（我的理解应该类似是Hello报文），所有连接的交换机和主机都将回复ping但只有交换机才会传送LDM而主机不会。
刚开始的时候，每个边缘交换机都将根据以下算法申请一个pod内的唯一pos号码：
algorithm2

5.无环链路

注意，在三层架构中，从边缘到汇聚，和从汇聚到核心都可以采用ECMP路径。层级递送报文保证了一旦报文往下传送（从高层到底层），报文不会回传（从底层到高层），也就是不会导致环路。

6.容错路由

6.1单播报文路由容错

下图展示了一个单播报文路由容错的例子。 unicast_fault

核心交换机未定时收到LDM报文
核心交换机告知FM链路故障
FM更新拓扑信息
FM告知所有交换机链路更新，初始交换机更新转发表。

在传统链路协议中，n个交换机需要交换O(n^2)个报文才能更新所有链路，而PortLand中所有交换机都和FM交换链路消息，所以只需要O(n)个报文即可。

6.2多播/广播报文路由容错

下图展示了一个多播报文路由容错的例子。 multicast_fault1

注意，主机S发送多播报文到3个R，位于pod0内的两条链路锻炼，导致R2无法收到报文。注意这里是多根树，此时的策略是重新计算一个包括所有多播目的主机的贪心集合（核心交换机），让报文发往所有集合内的根（核心交换机），然后完成转发，如下图所示。
multicast_fault2

说明

本文阅读匆忙，可能存在部分不足，若有不对之处，望指正。
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参考

Niranjan Mysore R, Pamboris A, Farrington N, et al. Portland: a scalable fault-tolerant layer 2 data center network fabric[C]//ACM SIGCOMM Computer Communication Review. ACM, 2009, 39(4): 39-50.

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Vinllen Chen