時下最常用的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和排錯工具非SPAN（Switch Port Analyzer）莫屬了，SPAN也通常被稱作端口鏡像。它可以讓我們以旁路的方式來監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)流量，不會對現(xiàn)網(wǎng)的業(yè)務(wù)造成干擾，同時將監(jiān)控流量的副本發(fā)送到本地或遠端的設(shè)備上，包括Sniffer、IDS、或其他類型的網(wǎng)絡(luò)分析工具。
一些典型的用法有：
●通過追蹤控制/數(shù)據(jù)幀來排除網(wǎng)絡(luò)問題；
●通過監(jiān)控VoIP包來分析延遲和抖動；
●通過監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)交互來分析時延；
●通過監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)流量來做異常狀態(tài)的檢測。
SPAN可以在本地操作，將流量鏡像到同一個源設(shè)備的其他端口，也可以遠程鏡像到其他與源設(shè)備二層相鄰的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上（RSPAN）。
今天我們來聊一聊可以跨三層IP傳輸?shù)倪h程網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)控技術(shù)——ERSPAN（Encapsulated Remote Switch Port Analyzer），即在SPAN的基礎(chǔ)上擴展了encapsulated remote的特性。
ERSPAN基本操作原理
首先，我們來看一下ERSPAN的特性：
●將源端口報文復(fù)制一份通過GRE（Generic Routing Encapsulation）發(fā)送到目的服務(wù)器進行解析，采集服務(wù)器的物理位置不受限制；
●借助芯片的UDF（User Defined Field）特性，通過專家級擴展列表基于Base域進行1~126字節(jié)的任意偏移，對會話關(guān)鍵字進行匹配實現(xiàn)會話的可視化，例如針對TCP三次握手、RDMA會話的可視；
●支持設(shè)置采樣率；
●支持報文截取長度，降低目標服務(wù)器壓力。
看到以上特性，相信大家就知道為什么ERSPAN是如今數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控一個必不可少的工具了。
總結(jié)一下，ERSPAN主要的作用可以歸納為兩點：
●會話可視化：借助ERSPAN把新建TCP、RDMA（Remote Direct Memory Access）等的所有會話都采集到后端服務(wù)器進行展示；
●網(wǎng)絡(luò)排障：當出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)問題時，去抓取網(wǎng)絡(luò)流量做故障分析。
為了達到這樣的效果，源網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要從海量數(shù)據(jù)流中將用戶感興趣的流量過濾出來，復(fù)制一份，將每個復(fù)制幀封裝到一個特殊的“超級幀容器”中，這個超級容器會攜帶足夠多的附加信息，以便它被正確的路由到接收設(shè)備，并讓接收設(shè)備能夠提取并完全恢復(fù)原始監(jiān)控的流量。
接收設(shè)備可以是另外一臺支持解封裝ERSPAN報文的服務(wù)器。
ERSPAN的類型和封裝格式分析
ERSPAN的報文基于GRE封裝，并通過以太網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)到任何IP路由可達的地方。當前ERSPAN主要應(yīng)用在IPv4網(wǎng)絡(luò)，未來對IPv6的支持也會是一個剛需。
關(guān)于ERSAPN的通用封裝結(jié)構(gòu)，下面是一個ICMP報文的鏡像抓包：
ERSPAN協(xié)議經(jīng)過長期發(fā)展，隨著能力的增強形成多個版本，稱為"ERSPAN Types”，不同Type具有不同的幀頭部格式。
在ERSPAN頭部的第一個Version字段里有作定義：
|
Type I |
0x0 |
|
Type II |
0x1 |
|
Type III |
0x2 |
另外在GRE頭部中的Protocol Type字段也有指明內(nèi)部的ERSPAN類型，Protocol Type字段值為0x88BE表示是ERSPAN Type II，0x22EB 表示是ERSPAN Type III。
Type I
Type I的ERSPAN幀直接將IP+GRE封裝在原始鏡像幀頭部之上，這種封裝方式在原始幀之上增加了38字節(jié)：14(MAC) + 20 (IP) + 4(GRE)。這種格式的優(yōu)勢在于其頭部尺寸緊湊，減少傳輸過程的開支，但因為其將 GRE Flag和Version字段全部設(shè)置為0，即不攜帶任何拓展字段，也導致Type I并沒有大規(guī)模應(yīng)用，這里就不過多展開。
Type I的GRE頭部封裝格式如下：
Type II
在Type II中，GRE頭部中的C, R, K, S,s, Recur, Flags, Version字段，除了S字段為1，其余字段皆為0，所以Sequence Number字段會出現(xiàn)在Type II的GRE頭部中。即意味著Type II可以確保接收GRE報文的次序，不會出現(xiàn)因為網(wǎng)絡(luò)故障，導致收到一堆無序的GRE報文之后無法排序的情況。
Type II的GRE頭部封裝格式如下：
另外，ERSPAN Type II的幀格式還增加了8字節(jié)的ERSPAN頭部在GRE頭部和原始鏡像幀之間。
Type II的ERSPAN頭部封裝格式如下：
最后，緊隨原始鏡像幀之后的，是標準的4字節(jié)的以太網(wǎng)循環(huán)冗余校驗碼CRC。
值得注意的是，在實現(xiàn)中，鏡像幀并沒有包含原始幀的FCS字段，作為替代的是基于整個ERSPAN重新計算的新CRC值。這意味著接收設(shè)備無法檢驗原始幀的CRC正確性，我們只能假設(shè)僅僅是未損壞的幀被鏡像了。
Type III
Type III引入了一個更大、更靈活的復(fù)合報頭，以滿足日益復(fù)雜和多樣化的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控場景，包含且不限于網(wǎng)絡(luò)管理、入侵檢測、性能和延遲分析等。這些場景需要知道鏡像幀的所有原始參數(shù)，并包括那些不存在于原始幀本身的內(nèi)容。
ERSPAN Type III復(fù)合報頭包括一個強制的12字節(jié)頭部和一個可選的8字節(jié)平臺特定子頭部。
Type III的ERSPAN頭部封裝格式如下：
同樣，在原始鏡像幀之后的是4字節(jié)的CRC。
從Type III的頭部格式中可以看到，除了在Type II的基礎(chǔ)上保留了Ver、VLAN、COS、T、Session ID字段之外，還新增了很多特有的字段，如：
●BSO：用來表示通過ERSPAN承載的數(shù)據(jù)幀的負載完整性，00是沒問題的幀、11是有問題的幀、01是短幀、11是超大幀；
●Timestamp：從與系統(tǒng)時間同步的硬件時鐘里面導出，這32比特的字段至少支持100微秒的時間戳粒度；
●P與FT（Frame Type）: 前者用來指明ERSPAN承載的是以太網(wǎng)協(xié)議幀（PDU幀），后者用來指明是以太網(wǎng)幀還是IP包；
●HW ID：在系統(tǒng)內(nèi)ERSPAN引擎的唯一標識符；
●Gra (Timestamp Granularity)：用來定義時間戳的顆粒度，如00b代表100微秒粒度，01b代表100納秒粒度，10b代表IEEE 1588粒度，11b則需要結(jié)合平臺特定子頭部來實現(xiàn)更高精的粒度；
●Platf ID與Platform Specific Info：根據(jù)Platf ID不同的值，Platform Specific Info字段會有不同的格式與內(nèi)容。
應(yīng)該注意的是，上面所支持的各種報頭字段可以在常規(guī)的ERSPAN應(yīng)用中使用，甚至可以鏡像錯誤幀或BPDU幀，并保持原始的Trunk封裝和VLAN ID。此外，在鏡像幀的過程中，也可以在每個ERSPAN幀中添加關(guān)鍵時間戳信息以及其他信息字段。
通過ERSPAN自身的各種特征頭部，我們可以實現(xiàn)更為精細化的網(wǎng)絡(luò)流量分析，接下來只需要在ERSPAN進程中掛載相應(yīng)的ACL，來匹配我們感興趣的網(wǎng)絡(luò)流量即可。
ERSPAN實現(xiàn)RDMA會話可視化
我們舉一個RDMA場景下應(yīng)用ERSPAN技術(shù)來達到RDMA會話可視化的案例:
●RDMA：Remote Direct Memory Access遠程直接數(shù)據(jù)存取，是利用智能網(wǎng)卡和交換機，實現(xiàn)服務(wù)器A的網(wǎng)卡可以直接讀寫服務(wù)器B的內(nèi)存，最終達到高帶寬、低延遲和低資源利用率的效果，在大數(shù)據(jù)和高性能分布式存儲場景中有大量的應(yīng)用。
●RoCEv2：RDMA over Converged Ethernet Version 2，RDMA數(shù)據(jù)封裝在UDP報頭中，目的端口號為4791，UDP報頭之后是IB BTH，即InfiniBand Base Transport Header。
RDMA日常運維需要采集很多數(shù)據(jù)，用于收集日常水位基準線和異常報警，以及發(fā)生異常的問題定位依據(jù)。結(jié)合ERSPAN可以快速抓取海量數(shù)據(jù)，獲得交換芯片在微秒級別的轉(zhuǎn)發(fā)質(zhì)量數(shù)據(jù)、協(xié)議交互狀態(tài)，并通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，得出RDMA在網(wǎng)絡(luò)上端到端的轉(zhuǎn)發(fā)質(zhì)量評估和預(yù)測。
為了實現(xiàn)RDAM會話可視化，我們需要ERSPAN在鏡像流量時，對RDMA交互會話的關(guān)鍵字匹配，這時們需要利用專家級擴展列表。
專家級擴展列表匹配字段定義：
●UDF由五個字段組成：UDF關(guān)鍵字、base域、offset域、value域和mask域。受限于硬件表項容量，當前共有8個UDF可以使用，一個UDF最長可以匹配兩個字節(jié)。
●UDF關(guān)鍵字：UDF1...UDF8共8個UDF匹配域關(guān)鍵字；
●base域：標識UDF匹配域的起始位置。如下：
●l4_header （適用RG-S6520-64CQ）
●l5_header （適用RG-S6510-48VS8CQ）
●offset域：基于base域的偏移值，范圍：0-126；
●value域：匹配值，可以與mask域配合使用，用來配置需要匹配的具體value，有效位兩個字節(jié)；
●mask域：掩碼，有效位兩個字節(jié)。
（補充：如果多個表項有用到同一個UDF匹配域的話，那么base域和offset域必須保持一致。）
與RDMA會話狀態(tài)相關(guān)的兩個關(guān)鍵報文是CNP(Congestion Notification Packet) NAK(Negative Acknowledgment)
前者是RDMA接收端收到交換機（出口Buffer達到閾值時）發(fā)出的ECN報文后生成的，包含了導致?lián)砣膄low或QP的信息；后者是用于表示RDMA傳輸有丟包的響應(yīng)報文。
我們接下來看看如何利用專家級擴展列表來匹配這兩個報文：
expert access-list extended rdma
permit udp any any any any eq 4791 udf 1 l4_header 8 0x8100 0xFF00 （匹配RG-S6520-64CQ）
permit udp any any any any eq 4791 udf 1 l5_header 0 0x8100 0xFF00 （匹配RG-S6510-48VS8CQ）
expert access-list extended rdma
permit udp any any any any eq 4791 udf 1 l4_header 8 0x1100 0xFF00 udf 2 l4_header 20 0x6000 0xFF00（匹配RG-S6520-64CQ）
permit udp any any any any eq 4791 udf 1 l5_header 0 0x1100 0xFF00 udf 2 l5_header 12 0x6000 0xFF00（匹配RG-S6510-48VS8CQ）
最后一步，將該專家級擴展列表掛載到相應(yīng)ERSPAN進程中，即可實現(xiàn)RDMA會話的可視化。
寫在最后
在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)規(guī)模日益龐大，網(wǎng)絡(luò)流量日益復(fù)雜，而對網(wǎng)絡(luò)運維要求日益精細的今天，ERSPAN是必不可少的工具之一。
隨著運維自動化程度越來越高，Netconf、RESTconf、gRPC等技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)自動化運維中受到廣大運維同學的歡迎，利用gRPC來作為鏡像流量回傳的底層協(xié)議也具有諸多優(yōu)勢。如：基于HTTP/2協(xié)議，可以支持同一連接下串流推送機制；使用ProtoBuf編碼，比JSON格式的信息大小降低了一半，可以使數(shù)據(jù)傳輸更加快捷和高效。試想一下，如果利用ERSPAN對感興趣流鏡像之后，再利用gRPC上送到分析服務(wù)器，是不是就會極大提高網(wǎng)絡(luò)自動化運維的能力和效率呢？
銳捷網(wǎng)絡(luò)在25G/100G數(shù)據(jù)中心的新產(chǎn)品RG-S6510-48VS8CQ和RG-S6520-64CQ，除了可以滿足RDMA網(wǎng)絡(luò)中對PFC+ECN+MMU的管理，能保持較高的協(xié)調(diào)性，還可以部署RDMA整網(wǎng)的可視化方案，支持利用ERSPAN技術(shù)匹配專家級拓展列表對RDMA會話進行可視化展示。
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