時(shí)下最常用的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和排錯(cuò)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(lái)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)流量，不會(huì)對(duì)現(xiàn)網(wǎng)的業(yè)務(wù)造成干擾，同時(shí)將監(jiān)控流量的副本發(fā)送到本地或遠(yuǎn)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(guò)追蹤控制/數(shù)據(jù)幀來(lái)排除網(wǎng)絡(luò)問題；
●通過(guò)監(jiān)控VoIP包來(lái)分析延遲和抖動(dòng)；
●通過(guò)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)交互來(lái)分析時(shí)延；
●通過(guò)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)流量來(lái)做異常狀態(tài)的檢測(cè)。
SPAN可以在本地操作，將流量鏡像到同一個(gè)源設(shè)備的其他端口，也可以遠(yuǎn)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(lái)聊一聊可以跨三層IP傳輸?shù)倪h(yuǎn)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(kuò)展了encapsulated remote的特性。
ERSPAN基本操作原理
首先，我們來(lái)看一下ERSPAN的特性：
●將源端口報(bào)文復(fù)制一份通過(guò)GRE（Generic Routing Encapsulation）發(fā)送到目的服務(wù)器進(jìn)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(guò)專家級(jí)擴(kuò)展列表基于Base域進(jìn)行1~126字節(jié)的任意偏移，對(duì)會(huì)話關(guān)鍵字進(jìn)行匹配實(shí)現(xiàn)會(huì)話的可視化，例如針對(duì)TCP三次握手、RDMA會(huì)話的可視；
●支持設(shè)置采樣率；
●支持報(bào)文截取長(zhǎng)度，降低目標(biāo)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(gè)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(diǎn)：
●會(huì)話可視化：借助ERSPAN把新建TCP、RDMA（Remote Direct Memory Access）等的所有會(huì)話都采集到后端服務(wù)器進(jìn)行展示；
●網(wǎng)絡(luò)排障：當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)問題時(shí)，去抓取網(wǎng)絡(luò)流量做故障分析。
為了達(dá)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(guò)濾出來(lái)，復(fù)制一份，將每個(gè)復(fù)制幀封裝到一個(gè)特殊的“超級(jí)幀容器”中，這個(gè)超級(jí)容器會(huì)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(tái)支持解封裝ERSPAN報(bào)文的服務(wù)器。
ERSPAN的類型和封裝格式分析
ERSPAN的報(bào)文基于GRE封裝，并通過(guò)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)到任何IP路由可達(dá)的地方。當(dāng)前ERSPAN主要應(yīng)用在IPv4網(wǎng)絡(luò)，未來(lái)對(duì)IPv6的支持也會(huì)是一個(gè)剛需。
關(guān)于ERSAPN的通用封裝結(jié)構(gòu)，下面是一個(gè)ICMP報(bào)文的鏡像抓包：
ERSPAN協(xié)議經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期發(fā)展，隨著能力的增強(qiáng)形成多個(gè)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(gè)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(shì)在于其頭部尺寸緊湊，減少傳輸過(guò)程的開支，但因?yàn)槠鋵?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(dǎo)致Type I并沒有大規(guī)模應(yīng)用，這里就不過(guò)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(huì)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(bào)文的次序，不會(huì)出現(xiàn)因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)故障，導(dǎo)致收到一堆無(wú)序的GRE報(bào)文之后無(wú)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(biāo)準(zhǔn)的4字節(jié)的以太網(wǎng)循環(huán)冗余校驗(yàn)碼CRC。
值得注意的是，在實(shí)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(gè)ERSPAN重新計(jì)算的新CRC值。這意味著接收設(shè)備無(wú)法檢驗(yàn)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(gè)更大、更靈活的復(fù)合報(bào)頭，以滿足日益復(fù)雜和多樣化的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控場(chǎng)景，包含且不限于網(wǎng)絡(luò)管理、入侵檢測(cè)、性能和延遲分析等。這些場(chǎng)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(bào)頭包括一個(gè)強(qiáng)制的12字節(jié)頭部和一個(gè)可選的8字節(jié)平臺(tái)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(lái)表示通過(guò)ERSPAN承載的數(shù)據(jù)幀的負(fù)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(shí)間同步的硬件時(shí)鐘里面導(dǎo)出，這32比特的字段至少支持100微秒的時(shí)間戳粒度；
●P與FT（Frame Type）: 前者用來(lái)指明ERSPAN承載的是以太網(wǎng)協(xié)議幀（PDU幀），后者用來(lái)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(biāo)識(shí)符；
●Gra (Timestamp Granularity)：用來(lái)定義時(shí)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(tái)特定子頭部來(lái)實(shí)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(huì)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(bào)頭字段可以在常規(guī)的ERSPAN應(yīng)用中使用，甚至可以鏡像錯(cuò)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(guò)程中，也可以在每個(gè)ERSPAN幀中添加關(guān)鍵時(shí)間戳信息以及其他信息字段。
通過(guò)ERSPAN自身的各種特征頭部，我們可以實(shí)現(xiàn)更為精細(xì)化的網(wǎng)絡(luò)流量分析，接下來(lái)只需要在ERSPAN進(jìn)程中掛載相應(yīng)的ACL，來(lái)匹配我們感興趣的網(wǎng)絡(luò)流量即可。
ERSPAN實(shí)現(xiàn)RDMA會(huì)話可視化
我們舉一個(gè)RDMA場(chǎng)景下應(yīng)用ERSPAN技術(shù)來(lái)達(dá)到RDMA會(huì)話可視化的案例:
●RDMA：Remote Direct Memory Access遠(yuǎn)程直接數(shù)據(jù)存取，是利用智能網(wǎng)卡和交換機(jī)，實(shí)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(dá)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(chǔ)場(chǎng)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(bào)頭中，目的端口號(hào)為4791，UDP報(bào)頭之后是IB BTH，即InfiniBand Base Transport Header。
RDMA日常運(yùn)維需要采集很多數(shù)據(jù)，用于收集日常水位基準(zhǔn)線和異常報(bào)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(jí)別的轉(zhuǎn)發(fā)質(zhì)量數(shù)據(jù)、協(xié)議交互狀態(tài)，并通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，得出RDMA在網(wǎng)絡(luò)上端到端的轉(zhuǎn)發(fā)質(zhì)量評(píng)估和預(yù)測(cè)。
為了實(shí)現(xiàn)RDAM會(huì)話可視化，我們需要ERSPAN在鏡像流量時(shí)，對(duì)RDMA交互會(huì)話的關(guān)鍵字匹配，這時(shí)們需要利用專家級(jí)擴(kuò)展列表。
專家級(jí)擴(kuò)展列表匹配字段定義：
●UDF由五個(gè)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(xiàng)容量，當(dāng)前共有8個(gè)UDF可以使用，一個(gè)UDF最長(zhǎng)可以匹配兩個(gè)字節(jié)。
●UDF關(guān)鍵字：UDF1...UDF8共8個(gè)UDF匹配域關(guān)鍵字；
●base域：標(biāo)識(shí)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(lái)配置需要匹配的具體value，有效位兩個(gè)字節(jié)；
●mask域：掩碼，有效位兩個(gè)字節(jié)。
（補(bǔ)充：如果多個(gè)表項(xiàng)有用到同一個(gè)UDF匹配域的話，那么base域和offset域必須保持一致。）
與RDMA會(huì)話狀態(tài)相關(guān)的兩個(gè)關(guān)鍵報(bào)文是CNP(Congestion Notification Packet) NAK(Negative Acknowledgment)
前者是RDMA接收端收到交換機(jī)（出口Buffer達(dá)到閾值時(shí)）發(fā)出的ECN報(bào)文后生成的，包含了導(dǎo)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(bào)文。
我們接下來(lái)看看如何利用專家級(jí)擴(kuò)展列表來(lái)匹配這兩個(gè)報(bào)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(jí)擴(kuò)展列表掛載到相應(yīng)ERSPAN進(jìn)程中，即可實(shí)現(xiàn)RDMA會(huì)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(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維要求日益精細(xì)的今天，ERSPAN是必不可少的工具之一。
隨著運(yùn)維自動(dòng)化程度越來(lái)越高，Netconf、RESTconf、gRPC等技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化運(yùn)維中受到廣大運(yùn)維同學(xué)的歡迎，利用gRPC來(lái)作為鏡像流量回傳的底層協(xié)議也具有諸多優(yōu)勢(shì)。如：基于HTTP/2協(xié)議，可以支持同一連接下串流推送機(jī)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(duì)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(huì)極大提高網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化運(yùn)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(duì)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(jí)拓展列表對(duì)RDMA會(huì)話進(jìn)行可視化展示。
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