Виртуальные коммутаторы и сети

Когда на одном физическом сервере работает много VM, им всё равно нужно взаимодействовать друг с другом и с внешним миром. Виртуальный коммутатор (vSwitch) — это программное обеспечение внутри гипервизора, которое выполняет роль физического коммутатора, но для виртуальных машин.

Он пересылает кадры Ethernet между VM и во внешнюю сеть через физические сетевые карты узла, благодаря чему сеть теперь проходит непосредственно внутри самого сервера.

Каждой VM назначается одна или несколько виртуальных NIC (виртуальных сетевых карт). Для гостевой OS vNIC выглядит точно как настоящий адаптер Ethernet со своим MAC-адресом (аппаратным адресом управления доступом к среде).

vNIC подключается к порту виртуального коммутатора. После этого гипервизор определяет, останется ли трафик внутри узла или выйдет в физическую LAN.

Виртуальный коммутатор работает так же, как его физический аналог: он определяет, на каком виртуальном порту находится каждый MAC-адрес, и пересылает кадры только туда, куда нужно. Трафик между двумя VM на одном узле никогда не проходит по физическому кабелю, поэтому передаётся чрезвычайно быстро.

Когда VM нужно связаться с другим узлом или интернетом, vSwitch отправляет кадр через восходящее соединение — настоящий сетевой адаптер узла.

Восходящее соединение — это физическая NIC на узле, которая подключает виртуальный коммутатор к реальной сети. Можно привязать несколько физических NIC к одному vSwitch, чтобы увеличить пропускную способность и обеспечить резервирование. Эта технология называется объединением NIC или агрегированием каналов.

Если кабель одного восходящего соединения выйдет из строя, остальные сохранят доступность VM. Без восходящего соединения vSwitch изолируется, и VM могут взаимодействовать только друг с другом.

Виртуальные коммутаторы поддерживают VLAN (виртуальные локальные сети) так же, как аппаратные коммутаторы. Можно поместить VM в разные VLAN, чтобы, например, веб-серверы и серверы баз данных были изолированы даже на одном узле.

vSwitch помечает кадры идентификаторами VLAN и передаёт их через магистральное восходящее соединение в физическую сеть, сохраняя единое разделение от виртуального мира до физического.

Гипервизоры предлагают несколько режимов подключения vSwitch:

• Внешний: привязан к физической NIC, поэтому VM получают доступ к LAN и интернету.
• Внутренний: VM могут взаимодействовать друг с другом и с узлом, но не с внешней сетью.
• Частный: VM могут взаимодействовать только друг с другом и полностью изолированы даже от узла.

Выбор подходящего режима точно определяет, насколько далеко может распространяться трафик VM.

Многие настольные гипервизоры предлагают режим NAT (преобразование сетевых адресов). VM находятся в частной виртуальной сети и используют один IP-адрес узла для выхода в интернет, подобно домашним устройствам, которые используют один публичный адрес.

NAT удобен для лабораторных сред: VM получают доступ в интернет без собственного адреса в реальной LAN, но для входящих подключений требуется перенаправление портов.

В крупных центрах обработки данных распределённый виртуальный коммутатор охватывает множество физических узлов и управляется как один логический коммутатор. VMware vDS и аналогичные инструменты позволяют администраторам один раз настроить сетевую политику и применить её повсюду.

Это обеспечивает согласованность настроек при переносе VM между узлами без остановки, поскольку конфигурация сети автоматически следует за VM, а не задаётся отдельно на каждом узле.

SDN (программно-определяемая сеть) отделяет плоскость управления (принятие решений о направлении трафика) от плоскости данных (непосредственная пересылка). Центральный контроллер программно управляет сетью, делая её гибкой и автоматизированной.

Виртуальные коммутаторы естественным образом подходят для SDN: всю сеть можно определить, изменить и масштабировать в коде, а не подключать кабели вручную, что крайне важно для облачного масштаба.

Современная диагностика неисправностей часто заканчивается внутри узла. VM без подключения может иметь vNIC, присоединённую не к тому vSwitch или не к той VLAN, либо к неработающему восходящему соединению. Понимание виртуального уровня экономит часы, которые иначе ушли бы на проверку исправных физических кабелей.

Применяются те же понятия (коммутаторы, VLAN, MAC-адреса), но реализованы они программно внутри гипервизора.

vNIC виртуальной машины подключается к порту vSwitch; vSwitch мгновенно пересылает локальный трафик, а внешний отправляет через восходящее соединение в физическую LAN, при необходимости добавляя метку VLAN. Выбор внешнего, внутреннего, частного режима или NAT определяет область доступности, а распределённые коммутаторы и SDN позволяют масштабировать такую схему на весь центр обработки данных.

Виртуальный коммутатор пересылает кадры между VM через их виртуальные NIC и подключается к физической сети через восходящее соединение. vSwitch поддерживают VLAN и предлагают внешний, внутренний, частный режимы и NAT для управления областью доступности. Распределённые коммутаторы и SDN масштабируют эту схему на центры обработки данных, поэтому диагностика сети теперь распространяется и внутрь узла.