隨著虛擬化技術(shù)的成熟和x86 CPU性能的發(fā)展，越來越多的數(shù)據(jù)中心開始向虛擬化轉(zhuǎn)型。數(shù)據(jù)中心虛擬化的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)趨勢，延續(xù)了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心性能、安全、永續(xù)的基本需求，而且進(jìn)一步簡化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，更有力支撐應(yīng)用層面虛擬化，降低運(yùn)維復(fù)雜度，提高了靈活性。

當(dāng)前數(shù)據(jù)中心虛擬化發(fā)展面臨許多關(guān)鍵性問題，而安全問題首當(dāng)其沖，并且隨著云計(jì)算的不斷普及，安全問題的重要性呈現(xiàn)逐步上升趨勢，已成為制約其發(fā)展的重要因素。

在虛擬化當(dāng)中有一種重大威脅，即同一個(gè)物理服務(wù)器上的多個(gè)虛擬機(jī)彼此之間的通信都是在虛擬交換機(jī)上進(jìn)行的，這一點(diǎn)是防火墻、入侵檢測、預(yù)防系統(tǒng)和異常行為檢測器，這些針對物理服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)流量的外部網(wǎng)絡(luò)安全工具視若無睹的。

針對這些安全問題，本文旨在設(shè)計(jì)出一種合理的與數(shù)據(jù)中心虛擬機(jī)通信方式，以解決目前安全方面的盲點(diǎn)。虛擬以太網(wǎng)端口匯聚器((Virtual Ethernet Port Aggregator，VEPA)是最新IEEE 802.1Qbg草案標(biāo)準(zhǔn)化工作的一個(gè)組成部分，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是降低與高度虛擬化部署有關(guān)的復(fù)雜性和提高數(shù)據(jù)的安全性。運(yùn)用VEPA技術(shù)，能有效解決虛擬機(jī)之間相互通訊無法監(jiān)控的問題，為云架構(gòu)數(shù)據(jù)中心的實(shí)現(xiàn)提供安全的屏障。

1 云計(jì)算數(shù)據(jù)中心架構(gòu)概述

云計(jì)算系統(tǒng)分成兩部分：前端和后端，二者一般通過網(wǎng)絡(luò)互相連接。前端指的是用戶的計(jì)算機(jī)或客戶端，后端指的是系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)群，也就是前端包括用戶計(jì)算機(jī)(或計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò))以及云計(jì)算系統(tǒng)登陸程序。不同的云計(jì)算系統(tǒng)具有不同的用戶界面。后端是各種各樣的計(jì)算機(jī)、服務(wù)器和數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，它們共同組成了云計(jì)算系統(tǒng)中的云。理論上，任何應(yīng)用程序都可以在云計(jì)算系統(tǒng)中運(yùn)行。

一般來說，每個(gè)應(yīng)用程序都有其專用的服務(wù)器。管理整個(gè)系統(tǒng)的是中央服務(wù)器，它監(jiān)管流量和用戶需求并確保一切運(yùn)行順利。中央服務(wù)器遵循一套被稱為協(xié)議的規(guī)則，并使用一種被稱為中間件(middleware)的專門軟件。中間件可以使聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)互相通訊。

VMware和微軟公司的Hyper-V是目前支持云計(jì)算完全虛擬化的主流產(chǎn)品。以WM ware為例，在完全虛擬化的環(huán)境下，VMware ESXi運(yùn)行在裸硬件上，充當(dāng)主機(jī)操作系統(tǒng)。在裝有WM ware Esxj的物理主機(jī)上虛擬出虛擬服務(wù)器，運(yùn)行客戶端操作系統(tǒng)。整個(gè)WMvare ESXi的物理主機(jī)集群由一臺VMware vCenter Server來管理。如圖1所示。

圖1 VMware私有云架構(gòu)

2 基于VEPA技術(shù)改進(jìn)的虛擬通信解決方案

2.1 虛擬以太網(wǎng)端口匯聚器(VEPA)

VEPA是IEEE 802.1Qbg標(biāo)準(zhǔn)草案的核心部分。VEPA的核心機(jī)制就是兩條：修改生成樹協(xié)議、重用Q-in-Q。

VEPA是虛擬機(jī)管理器內(nèi)的一個(gè)分層，它采用一種新型轉(zhuǎn)發(fā)模式融人物理交換機(jī)中，使流量能夠從來時(shí)的端口“原路返回”。VEPA能接納所有虛擬機(jī)之間的傳輸資料，然后直接傳送到外部的交換機(jī)，在物理交換機(jī)上查表處理后，再回到目的虛擬機(jī)上，從而簡化同一服務(wù)器上虛擬機(jī)之間的通信。

當(dāng)兩個(gè)處于同一服務(wù)器內(nèi)的虛擬機(jī)要交換數(shù)據(jù)時(shí)，從虛擬機(jī)出來的數(shù)據(jù)幀首先會經(jīng)過服務(wù)器網(wǎng)卡送往上聯(lián)交換機(jī)，上聯(lián)交換機(jī)通過查看幀頭中帶的MAC地址(虛擬機(jī)MAC地址)發(fā)現(xiàn)目的主機(jī)在同一臺物理服務(wù)器中，因此又將這個(gè)幀送回原服務(wù)器，完成尋址轉(zhuǎn)發(fā)。

整個(gè)數(shù)據(jù)流好像一個(gè)發(fā)卡一樣在上聯(lián)交換機(jī)上繞了一圈，因此這個(gè)行為又稱作“發(fā)卡彎”。“發(fā)卡彎”實(shí)現(xiàn)了對虛擬機(jī)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，但這個(gè)行為違反了生成樹協(xié)議的一項(xiàng)重要原則，即數(shù)據(jù)幀不能發(fā)往收到這個(gè)幀的端口，而目前虛擬接人環(huán)境基本是屬于二層，因此，在接人層，不可能使用路由來實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，這就造成了VEPA的機(jī)制與生成樹協(xié)議之間的矛盾。

針對VEPA和生成樹協(xié)議相矛盾的體制，在IEEE 802.1Qbg標(biāo)準(zhǔn)草案中，重寫了生成樹協(xié)議，即在下聯(lián)端口上強(qiáng)制進(jìn)行反射數(shù)據(jù)幀的行為(ReflectiveRelay)，通過強(qiáng)制性的方法解決了二者機(jī)制上的沖突。

圖2對比了使用虛擬交換機(jī)和VEPA兩種不同的虛擬機(jī)通信方式。左圖中，虛擬機(jī)之間通訊通過虛擬交換機(jī)完成;右圖虛擬機(jī)之間通信由外部交換機(jī)完成。

圖2 虛擬交換機(jī)和VEPA轉(zhuǎn)發(fā)比較圖

2.2 VI AN翻譯技術(shù)簡介

VLAN翻譯(VLAN Translation)又叫VLAN映射，主要用于城域網(wǎng)中，它允許不同VLAN的主機(jī)通過交換機(jī)翻譯實(shí)現(xiàn)通信。借助于VLAN翻譯，VLAN1網(wǎng)絡(luò)通過交換機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，源地址將被轉(zhuǎn)換成初始設(shè)置的合法VLAN2地址，不同虛擬局域網(wǎng)只需使用少量IP地址(甚至是1個(gè))即可實(shí)現(xiàn)不同VLAN內(nèi)所有計(jì)算機(jī)互相通信的需求。

VLAN翻譯的實(shí)現(xiàn)方式有兩種，即靜態(tài)翻譯和動態(tài)轉(zhuǎn)換。

靜態(tài)翻譯是指將VLAN1的IP地址轉(zhuǎn)換為VLAN2的IP地址，IP地址對是一對一的，是一成不變的。借助于靜態(tài)翻譯，可以VLAN1網(wǎng)絡(luò)對VLAN2網(wǎng)絡(luò)中某些特定設(shè)備(如服務(wù)器)的訪問。

動態(tài)轉(zhuǎn)換是指將VLAN1網(wǎng)絡(luò)的IP地址轉(zhuǎn)換為VLAN2的IP地址時(shí)，IP地址是不確定的，是隨機(jī)的，所有被授權(quán)的VLAN1的私有IP地址可隨機(jī)轉(zhuǎn)換為任何指定可用的VLAN2IP地址。也就是說，只要指定哪些地址可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以及用哪些地址作為轉(zhuǎn)換地址時(shí)，就可以進(jìn)行動態(tài)轉(zhuǎn)換。

2.3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案

圖3 基于VEPA交換技術(shù)服務(wù)器邏輯結(jié)構(gòu)的示意圖

圖3是采用VEPA交換技術(shù)后服務(wù)器邏輯結(jié)

構(gòu)的示意圖，其中P1 、P2 為轉(zhuǎn)發(fā)端口，C、D、E、F分別為虛擬機(jī)接入端口，Z為外網(wǎng)機(jī)器端口。設(shè)計(jì)中各端口網(wǎng)段劃分和端口說明如表1所示。

表1 VLAN端口和出口列表

在交換機(jī)Adjacent Bridge中，設(shè)置各VLAN是否采用反射數(shù)據(jù)幀的行為(Reflective Relay)，設(shè)置結(jié)果如表2所示。

表2 反射數(shù)據(jù)幀支持表

假設(shè)虛擬機(jī)C要和同一VLAN的虛擬機(jī)F通信，C發(fā)出的數(shù)據(jù)經(jīng)VEPA技術(shù)首先傳送到下行交換機(jī)上。C所在的VLAN3設(shè)置了Reflective Relay，且和目的虛擬機(jī)F屬同

一物理主機(jī)，所以下行交換機(jī)直接將數(shù)據(jù)傳至目的主機(jī)F。通信流程如圖4所示。

圖4 C向F通信示意圖

當(dāng)虛擬機(jī)F要和外網(wǎng)主機(jī)Z通信，F(xiàn)發(fā)出的數(shù)據(jù)經(jīng)VEPA技術(shù)首先傳送到下行交換機(jī)上。因?yàn)镕所在的VLAN4設(shè)置了Reflective Relay，且目的主機(jī)Z與F不在同一物理主機(jī)上，所以數(shù)據(jù)被反射回轉(zhuǎn)發(fā)端口P2*。P2 和P1*通過虛擬橋相連，由于P1*所在VLAN1沒有Reflective Relay，最終數(shù)據(jù)通過下行交換機(jī)發(fā)送至目的主機(jī)Z。通信流程如圖5所示。

圖5 F向Z通信示意圖

當(dāng)外部主機(jī)Z向該臺物理機(jī)上所有虛擬機(jī)廣播通信時(shí)，Z首先經(jīng)過外聯(lián)交換向外接端口P1*發(fā)送數(shù)據(jù)。P1*收到數(shù)據(jù)后通過虛擬網(wǎng)橋轉(zhuǎn)發(fā)給端口P2*，P2*收到數(shù)據(jù)再轉(zhuǎn)發(fā)給外聯(lián)交換機(jī)。P2*端口所在VLAN2支持Reflective Relay，所以交換機(jī)把數(shù)據(jù)反射回C、D、E、F端口，如圖6所示。

圖6 Z廣播通信示意圖

在加人人侵檢測模塊之后，設(shè)計(jì)采用雙層協(xié)議模式，P1*、P2*、P3*端口工作在虛擬橋連接模式(VEB)下，虛擬機(jī)工作在VEPA模式下。這樣設(shè)計(jì)的好處是將虛擬機(jī)和入侵檢測設(shè)備隔離，不影響通信效率。各端口劃分如表3所示。

在下行交換機(jī)中，設(shè)置各VLAN反射數(shù)據(jù)幀的行為，還要在加入一個(gè)VLAN翻譯功能，設(shè)置結(jié)果如表4所示。

表3 VLAN端口和出口列表

表4 反射數(shù)據(jù)幀和VLAN翻譯支持表

當(dāng)外部主機(jī)z向F通信時(shí)，數(shù)據(jù)包首先抵達(dá)端口P1*，經(jīng)過VEB轉(zhuǎn)發(fā)給P2*和P3*端口。通過入侵檢測后，會在下行交換機(jī)上進(jìn)行初始設(shè)置的VLAN翻譯，將數(shù)據(jù)包發(fā)送給虛擬機(jī)F。整個(gè)流程如圖7所示。

圖7 帶有IDS功能的Z向F通信示意圖

VEPA除了用Q-in-Q基本的802.1q標(biāo)記外，又增加一層虛擬機(jī)MAC地址加子系統(tǒng)廠商識別碼SVID的標(biāo)識。這樣在VLAN之外，VEPA還能夠通過Qin-Q和唯一的標(biāo)識來區(qū)分不同的虛擬機(jī)，只要服務(wù)器網(wǎng)卡能夠給數(shù)據(jù)幀打上Q-in-Q標(biāo)記，上聯(lián)交換機(jī)能夠處理Qin-Q幀，基本就可以將不同的虛擬機(jī)流量區(qū)分開來，并進(jìn)行處理。

2.3 采用VEPA的優(yōu)點(diǎn)

VEPA技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，將為虛擬化的數(shù)據(jù)中心帶來以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)提升性能、降低復(fù)雜性

VEPA將交換功能移出了服務(wù)器，并且將其放回物理網(wǎng)絡(luò)中，而且讓外部網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)能夠看到所有的虛擬機(jī)流量。通過將虛擬機(jī)交換移回物理網(wǎng)絡(luò)，基于VEPA的方法使現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)工具和流程可以在虛擬化和非虛擬化環(huán)境以及監(jiān)視程序技術(shù)中以相同的方式自由使用。

(2)保持低成本電路

防火墻和IDS/IPS等基于網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，以及訪問控制列表(ACL)、服務(wù)質(zhì)量(QoS)和端口監(jiān)視等成熟的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)功能都可以直接用于虛擬機(jī)流量和虛擬機(jī)之間的交換，因此減少和消除了對虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備重新進(jìn)行昂貴的質(zhì)量判定、測試和部署的需求。

(3)清晰管理邊界

VEPA降低服務(wù)器管理人員的網(wǎng)絡(luò)配置要求和配置復(fù)雜性，將網(wǎng)絡(luò)管理控制層重新交給了網(wǎng)絡(luò)管理員，為所有與虛擬機(jī)相關(guān)聯(lián)網(wǎng)功能的供應(yīng)、監(jiān)視和故障查找提供了一個(gè)單一控制點(diǎn)。

3 結(jié)束語

云數(shù)據(jù)中心是未來發(fā)展的方向，其安全問題的重要性更是呈現(xiàn)逐步上升趨勢。本文的設(shè)計(jì)降低了高度虛擬化部署有關(guān)的復(fù)雜性和提高了數(shù)據(jù)的安全性。對于中小型云數(shù)據(jù)中心安全部署，此設(shè)計(jì)提供了一個(gè)性價(jià)比較高方法，不失為一種務(wù)實(shí)高效的解決方案。