Агрегация каналов и балансирова трафика по IP

В большинстве современных серверов на борту как правило присутствует минимум два 1Gb интерфейса под данные и один 100Mb для менеджмента.

На СХД младшей серии NetApp FAS2240/FAS2220 на борту каждого контроллера помимо прочего присутствует 4х 1Gb порта.
Т.е. вполне логично использовать схему, где два свича в стеке используют Multi-chassis EtherChannel агрегируя линки идущие от каждого контроллера в каждый свитч для получения как отказоустойчивости так и утилизации пропускной способности всех этих линков. Такая-себе архитектура по образу и подобию FlexPod Express, но без модно-дорогой фичи vPC у свитчей компании Cisco серии Nexus. Да и вообще сервера и свитчи в такой схеме могут быть любого производителя.

Схема подключения FlexPod Express.

Вот пример схемы, который будет описан в статье.
FAS 2240-4 HA — 2 контроллера по 4 1гбит линка
2 сервера с VMware ESXi, в каждом 4 выделенных сетевых порта по 1Гб для связи с хранилищем
2 гигабитных свитча в стеке с поддержкой Multi-chassis EtherChannel и LACP

Итак мы хотим задействовать всю доступную полосу пропускания и имеющиеся интерфейсы серверов и СХД. Т.е. сервер 1 работает преимущественно с ВМ расположенными на контроллере А, сервер 2 с ВМ на контроллере Б, у всех по 4 интерфейса, ВМ разбиты на 4 группы, все поделено равномерно и по честному.

Теоритическая часть

Но балансировка нагрузки в сети «магическим образом» не может размазать эту нагрузку по всем линкам сама. Есть алгоритм который позволяет поочерёдно задействовать один из линков в агрегированном канале. Один из таких алгоритмов основывается на хеш суммах полученных из заголовков IP адресов источника и получателя, выбирая один линк. И этот нюанс играет важную роль в нашей схеме. Так как если хеш сумма для двух разных комбинаций IP источника и получателя будет совпадать, то для таких комбинаций будет задействован один и тот же физический линк. Другими словами важно понимать как работает алгоритм балансировки сетевого трафика и проследить, чтобы коминации IP адресов были таковой, чтобы получить отказоустойчивую схему инфраструктуры и задействовать все сетевые линки, опираясь при этом на лучшие практики от NetApp TR—3749, TR—3802 и TR—3839.

Как правило, 2-4 сервера не нагружают 1Gb линки по пропускной способности, использование всех линков одновременно положительно сказывается на скорости взаимодействия узлов сети и на пропускной способности в пиковых нагрузках.

Описание

Далее (для упрощения) описаны манипуляции с одним контроллером, одним сервером и протоколом NFS.

• 2 линка контроллера подключены в один свитч, 2 в другой
• на стороне свитча настроен multichassis LACP с балансировкой по IP
• на свитче для портов контроллера установлен Flowcontrol = on
• на контроллере для всех портов установлен Flowcontrol = send
• 4 линка по 1Гб на стороне контроллера объединены в один LACP с балансировкой по IP
• поверх VIF (ifgrp) создан VLAN и ему присвоен IP, дополнительно созданы 3 алиаса (адреса выданы последовательно)
• созданы 4 volume, в каждом volume создан qtree, volume экспортированы по NFS
• на сервере ESXi создан vSwitch с 4 интерфейсами с балансировкой по IP
• на этом vSwitch создан порт vmkernel в той же IP подсети и том же VLAN, в котором располагается основной IP и алиасы контроллера
• jumbo фреймы включены по всей цепочке (СХД, свитч, VLAN на свитче, vSwitch, порт vmkernel)
• в ESXi добавлены 4 NFS датастора, все с разных IP адресов (т.е. задействованы и основной IP и все алиасы контроллера)
• 4 VM vmware-io-analyzer.ova на разные NFS датасторы для проверки нагрузки на линки используя, к примеру, паттерн Max-throughput

Нам необходимо чтобы:

• один NFS экспорт был подключен ко всем хостам vmware ESXi по одинаковому IP адресу для того, чтобы vmware воспринимала его как один datastorage, а не как разные (для iSCSI такого требования нет, для каждого сервера можно указывать разные IP таргетов, IQN у них будет одинаковый)
• трафик (входящий и исходящий) от одного сервера к разным datastorage должен идти по разным линкам сервера и СХД
• трафик (входящий и исходящий) от разных серверов к одному datastorage должен идти по разным линкам СХД

Настройка

Фрагменты настройки СХД NetApp FAS:

san01a> rdfile /etc/rc #Auto-generated by setup Fri may 22 13:26:59 GMT 2014 hostname san01a ifgrp create lacp vif1 -b ip e0d e0b e0c e0a vlan create vif1 53 ifconfig e0a flowcontrol send up ifconfig e0b flowcontrol send up ifconfig e0c flowcontrol send up ifconfig e0d flowcontrol send up ifconfig e0M `hostname`-e0M netmask 255.255.255.0 broadcast 10.10.10.255 flowcontrol full partner 10.10.40.11 mtusize 1500 trusted wins up ifconfig e0P `hostname`-e0P netmask 255.255.252.0 broadcast 192.168.3.255 flowcontrol full up ifconfig vif1-53 `hostname`-vif1-53 netmask 255.255.255.0 partner vif1-53 mtusize 9000 trusted -wins up ifconfig vif1-53 alias 10.10.53.31 netmask 255.255.255.0 up ifconfig vif1-53 alias 10.10.53.32 netmask 255.255.255.0 up ifconfig vif1-53 alias 10.10.53.33 netmask 255.255.255.0 up route add net default 10.10.10.3 1 routed on options dns.domainname netapp.com options dns.enable on options nis.enable off savecore 

СХД NetApp FAS нумерует интерфейсы в VIF не в алфавитном порядке, а в порядке добавления.
Например, если VIF создан такой командой «ifgrp create lacp vif1 -b ip e0d e0b e0c e0a», то e0d будет 0-ым интерфейсом, e0b — 1, e0a — 3.

san01a> rdfile /etc/hosts #Auto-generated by setup Fri may 22 13:26:59 GMT 2014 127.0.0.1    localhost    localhost-stack 127.0.10.1   localhost-10 localhost-bsd 127.0.20.1   localhost-20 localhost-sk 10.10.40.10   san01a san01a-e0M 192.168.1.185   san01a san01a-e0P 10.10.53.30     san01a-vif1-53 san01a> exportfs /vol/vol_filerA_nfsA    -sec=sys,rw,nosuid /vol/vol_filerA_nfsB    -sec=sys,rw,nosuid /vol/vol_filerA_nfsC    -sec=sys,rw,nosuid /vol/vol_filerA_nfsD    -sec=sys,rw,nosuid san01a> qtree qtree: This command is deprecated; using qtree status. Volume           Tree             Style Oplocks  Status --------         --------         ----- -------- --------- rootvol                           unix  enabled  normal vol_filerA_nfsA                   unix  enabled  normal vol_filerA_nfsA qtree_filerA_nfsA unix  enabled  normal vol_filerA_nfsB                   unix  enabled  normal vol_filerA_nfsB qtree_filerA_nfsB unix  enabled  normal vol_filerA_nfsC                   unix  enabled  normal vol_filerA_nfsC qtree_filerA_nfsC unix  enabled  normal vol_filerA_nfsD                   unix  enabled  normal vol_filerA_nfsD qtree_filerA_nfsD unix  enabled  normal 

К VMware ESXi подключены следующие датасторы

ds_filerA_nfsA 10.10.53.30:/vol/vol_filerA_nfsA/qtree_filerA_nfsA ds_filerA_nfsB 10.10.53.31:/vol/vol_filerA_nfsB/qtree_filerA_nfsB ds_filerA_nfsC 10.10.53.32:/vol/vol_filerA_nfsC/qtree_filerA_nfsC ds_filerA_nfsD 10.10.53.33:/vol/vol_filerA_nfsD/qtree_filerA_nfsD 

После настройки проверяем нагрузку по портам со стороны контроллера СХД:

san01a> ifgrp stat vif1 10 Interface group(trunk) vif1         e0b                 e0a                 e0c                 e0d Pkts In   Pkts Out  Pkts In   Pkts Out  Pkts In   Pkts Out  Pkts In   Pkts Out   14225k    13673k    15542k    249k      13838k    11690k    15544k    7809k   46075     38052     90911     7         45882     37666     90812     37704   46953     37735     91581     4         46506     37613     91777     37625   46822     38016     91409     7         45498     37589     91670     37687   46906     38046     91514     6         45469     37591     91495     37588   46600     37737     91308     4         46554     37538     91514     37610   46792     37929     91371     7         45803     37532     91261     37508   46845     37831     91228     8         46307     37517     91450     37587 

Итак видно, что по интерфейсу e0a (столбец Pkts Out) трафик практически не отправляется.

san01a> ifstat -a  -- interface  e0a  (3 hours, 30 minutes, 53 seconds) --  RECEIVE Frames/second:    9147  | Bytes/second:      916k | Errors/minute:       0 Discards/minute:     0  | Total frames:    16347k | Total bytes:     73753m Total errors:        0  | Total discards:      0  | Multi/broadcast:     0 No buffers:          0  | Non-primary u/c:     0  | Tag drop:            0 Vlan tag drop:       0  | Vlan untag drop:     0  | Vlan forwards:       0 Vlan broadcasts:     0  | Vlan unicasts:       0  | CRC errors:          0 Runt frames:         0  | Fragment:            0  | Long frames:         0 Jabber:              0  | Alignment errors:    0  | Bus overruns:        0 Xon:                 0  | Xoff:                0  | Jumbo:            8359k TRANSMIT Frames/second:       1  | Bytes/second:       87  | Errors/minute:       0 Discards/minute:     0  | Total frames:      249k | Total bytes:      7674m Total errors:        0  | Total discards:      0  | Multi/broadcast:  1006 Queue overflows:     0  | No buffers:          0  | Max collisions:      0 Single collision:    0  | Multi collisions:    0  | Late collisions:     0 Xon:                 0  | Xoff:                0  | Jumbo:             239k LINK_INFO Current state:       up | Up to downs:         2  | Speed:            1000m Duplex:            full | Flowcontrol:       none   -- interface  e0b  (3 hours, 30 minutes, 53 seconds) --  RECEIVE Frames/second:    4678  | Bytes/second:      467k | Errors/minute:       0 Discards/minute:     0  | Total frames:    14637k | Total bytes:     73533m Total errors:        0  | Total discards:      0  | Multi/broadcast:     0 No buffers:          0  | Non-primary u/c:     0  | Tag drop:            0 Vlan tag drop:       0  | Vlan untag drop:     0  | Vlan forwards:       0 Vlan broadcasts:     0  | Vlan unicasts:       0  | CRC errors:          0 Runt frames:         0  | Fragment:            0  | Long frames:         0 Jabber:              0  | Alignment errors:    0  | Bus overruns:        0 Xon:                 0  | Xoff:                0  | Jumbo:            8352k TRANSMIT Frames/second:    3773  | Bytes/second:      123m | Errors/minute:       0 Discards/minute:     0  | Total frames:    14007k | Total bytes:     57209m Total errors:        0  | Total discards:      1  | Multi/broadcast:  1531 Queue overflows:     1  | No buffers:          0  | Max collisions:      0 Single collision:    0  | Multi collisions:    0  | Late collisions:     0 Xon:                 0  | Xoff:                0  | Jumbo:            2756k LINK_INFO Current state:       up | Up to downs:         2  | Speed:            1000m Duplex:            full | Flowcontrol:       none   -- interface  e0c  (3 hours, 30 minutes, 53 seconds) --  RECEIVE Frames/second:    4630  | Bytes/second:      461k | Errors/minute:       0 Discards/minute:     0  | Total frames:    14243k | Total bytes:     69574m Total errors:        0  | Total discards:      0  | Multi/broadcast:     0 No buffers:          0  | Non-primary u/c:     0  | Tag drop:            0 Vlan tag drop:       0  | Vlan untag drop:     0  | Vlan forwards:       0 Vlan broadcasts:     0  | Vlan unicasts:       0  | CRC errors:          0 Runt frames:         0  | Fragment:            0  | Long frames:         0 Jabber:              0  | Alignment errors:    0  | Bus overruns:        0 Xon:                 0  | Xoff:                0  | Jumbo:            7800k TRANSMIT Frames/second:    3756  | Bytes/second:      123m | Errors/minute:       0 Discards/minute:     0  | Total frames:    12022k | Total bytes:       189g Total errors:        0  | Total discards:      0  | Multi/broadcast:  1003 Queue overflows:     0  | No buffers:          0  | Max collisions:      0 Single collision:    0  | Multi collisions:    0  | Late collisions:     0 Xon:                 0  | Xoff:                0  | Jumbo:            6283k LINK_INFO Current state:       up | Up to downs:         2  | Speed:            1000m Duplex:            full | Flowcontrol:       none   -- interface  e0d  (3 hours, 30 minutes, 53 seconds) --  RECEIVE Frames/second:    9127  | Bytes/second:      915k | Errors/minute:       0 Discards/minute:     0  | Total frames:    16349k | Total bytes:     73554m Total errors:        0  | Total discards:      0  | Multi/broadcast:     0 No buffers:          0  | Non-primary u/c:     0  | Tag drop:            0 Vlan tag drop:       0  | Vlan untag drop:     0  | Vlan forwards:       0 Vlan broadcasts:     0  | Vlan unicasts:       0  | CRC errors:          0 Runt frames:         0  | Fragment:            0  | Long frames:         0 Jabber:              0  | Alignment errors:    0  | Bus overruns:        0 Xon:                 0  | Xoff:                0  | Jumbo:            8339k TRANSMIT Frames/second:    3748  | Bytes/second:      123m | Errors/minute:       0 Discards/minute:     0  | Total frames:     8140k | Total bytes:     62385m Total errors:        0  | Total discards:      0  | Multi/broadcast:  1213 Queue overflows:     0  | No buffers:          0  | Max collisions:      0 Single collision:    0  | Multi collisions:    0  | Late collisions:     0 Xon:                 0  | Xoff:                0  | Jumbo:            2413k LINK_INFO Current state:       up | Up to downs:         2  | Speed:            1000m Duplex:            full | Flowcontrol:       none 

Идём на сторону свитча (свитч усредняет данные за период в несколько минут, потому утилизация лишь 80%, а не почти 100%) и видим, что порт Ethernet 1/11 практически не принимает фреймы.

                               Rx                           Tx Port      Mode    | ------------------------- | -------------------------                   | Kbits/sec  Pkts/sec  Util | Kbits/sec Pkts/sec  Util ------- --------- + ---------- --------- ---- + ---------- ---------- --- контроллер 1/11-Trk10 1000FDx| 5000      0         00.50 | 23088     7591      02.30 1/12-Trk10 1000FDx| 814232    12453     81.42 | 19576     3979      01.95 2/11-Trk10 1000FDx| 810920    12276     81.09 | 20528     3938      02.05 2/12-Trk10 1000FDx| 811232    12280     81.12 | 23024     7596      02.30 сервер 1/17-Trk22 1000FDx| 23000     7594      02.30 | 810848    12275     81.08 1/18-Trk22 1000FDx| 23072     7592      02.30 | 410320    6242      41.03 2/17-Trk22 1000FDx| 19504     3982      01.95 | 408952    6235      40.89 2/18-Trk22 1000FDx| 20544     3940      02.05 | 811184    12281     81.11 

Выделенные жирным цифры соответствуют загрузке линий контроллера и сервера соответственно. Подчеркнуто отсутствие утилизации одного из портов контроллера. При этом видно, что 2 датастора делят один линк контроллера.

При запуске генерации линейной записи на всех 4 VM и соответственно 4 NFS шарах балансировка трафика от СХД не зависит, поэтому картина ожидаемая.

Подбор IP

Получается, что СХД при агрегации каналов с балансировкой по IP использует не все доступные линии, как должно быть по теории, а только 3 из 4-х. При этом все остальные участники (свитч и ESXi) балансируют правильно по всем 4-м линиям. Трафик 2-х датасторов от СХД до свитча идет в одном линке, а от свитча до ESXi уже по двум.
Аналогичную картину наблюдаем при работе по протоколу iSCSI. Один из 4-х линков СХД на исходящую связь практически не загружен (5-10 пакетов за 10 секунд). На втором контроллере и другом сервере ситуация аналогичная.

Почему это происходит? Да потому что хеш суммы двух IP пар совпадают, заставляя алгоритм выбирать один и тот же линк. Другими словами нужно просто подобрать другие IP.

Можно просто перебирать варианты IP. В написании программы подбора IP адресов большая трудность заключается в том, что алгоритм использует побитовые сдвиги над знаковым 32битным целым и операции сложения над ними же (переполнения отбрасываются). Поскольку скриптовые языки нынче слабо ориентированы на фиксированную битность чисел, то добиться нормального расчета на python не удалось. Поэтому была написана на C маленькая программа расчета по всему диапазону, а потом использовать результаты в переборе.

Алгоритм

#include <stdio.h>   int debug = 0;   void f_shiftL(int *r, int step, int i, int offset) {     r[step] = r[i] << offset;     if (debug > 0) {         printf("\nStep %i Left Shift %i %i\n", step, i, offset);         printf("\t%i << %i\n", r[i], offset);         printf("\t%i\n", r[step]);     } }   void f_shiftR(int *r, int step, int i, int offset) {     r[step] = r[i] >> offset;     if (debug > 0) {         printf("\nStep %i Right Shift %i %i\n", step, i, offset);         printf("\t%i\n", r[i]);         printf("\t%i\n", r[step]);     } }   void f_xor(int *r, int step, int i, int j) {     r[step] = r[i] ^ r[j];     if (debug > 0) {         printf("\nStep %i XOR %i %i\n", step, i, j);         printf("\t%i\n", r[i]);         printf("\t%i\n", r[j]);         printf("\t%i\n", r[step]);     } }   void f_sum(int *r, int step, int i, int j) {     r[step] = r[i] + r[j];     if (debug > 0) {         printf("\nStep %i ADD %i %i\n", step, i, j);         printf("\t%i\n", r[i]);         printf("\t%i\n", r[j]);         printf("\t%i\n", r[step]);     } }   int balance_ip_netapp (int net, int src, int dst, int link_cnt) {     int res[30];     res[0] = net*256 + src;     res[1] = net*256 + dst;     //printf ("a = %i.%i (%i)\n", net, src, res[0]);     //printf ("b = %i.%i (%i)\n", net, dst, res[1]);     f_shiftL(res, 2, 1,11);     f_xor   (res, 3, 0, 2);     f_shiftL(res, 4, 0,16);     f_xor   (res, 5, 3, 4);     f_shiftR(res, 6, 5,11);     f_sum   (res, 7, 5, 6);     f_shiftL(res,15, 7, 3);     f_xor   (res,16, 7,15);     f_shiftR(res,17,16, 5);     f_sum   (res,18,16,17);     f_shiftL(res,19,18, 4);     f_xor   (res,20,18,19);     f_shiftR(res,21,20,17);     f_sum   (res,22,20,21);     f_shiftL(res,23,22,25);     f_xor   (res,24,22,23);     f_shiftR(res,25,24, 6);     f_sum   (res,26,24,25);     res[27] = res[26] % link_cnt;     if (res[27] < 0) {         res[27] = res[27] + link_cnt;     }     printf ("%i-%i-%i,%i\n", net, src, dst, res[27]);       return 0; }   int main() {     int i, j;     for (i=21; i<=23; i++) {         for (j=30; j<=250; j++) {             balance_ip_netapp(52, j, i, 4);             balance_ip_netapp(53, j, i, 4);         }     } } 

Ниже даны варианты выбора IP адресов СХД при условии наличия 3-х серверов (с IP адресами, заканчивающимися на 21, 22 и 23 и количеством интерфейсов к системе хранения 3, 4 и 4 соответственно).
Расчет делался для двух сетей ХХ.YY.52.ZZ/24 и ХХ.YY.53.ZZ/24. Подбирались IP адреса для СХД, удовлетворяющие вышеописанным условиям.

Как пользоваться табличкой

При обмене трафиком между сервером c IP ХХ.YY.52.22 и алиасом СХД ХХ.YY.52.35 трафик:
от СХД до свитча (столбец NetApp Out, 22) пойдет по интерфейсу с номером 2 по нумерации СХД
от свитча до СХД (столбец NetApp In, 22) пойдет по интерфейсу с номером 1 по нумерации свитча
от свитча до сервера и от сервера до свитча (столбец Server InOut, 22) пойдет по порту 1 в нумерации сервера и свитча соответственно (не факт, что считают они одинаково)

Видно, что для каждого сервера трафик с разными алиасами на одной голове будет идти по разным интерфейсам. Аналогично трафик с разных серверов на один IP СХД пойдет по разным интерфейсам.

При написании использовались материалы статьи Александр Гордиенко, Агрегация каналов и балансировка трафика по IP со стороны NetApp.

Замечания по ошибкам в тексте и предложения прошу направлять в ЛС.