云網(wǎng)絡(luò)下的交換技術(shù)

特約通訊員 鄒瑩 本刊編輯 余健儀

二十世紀(jì)末的網(wǎng)絡(luò)主要是為了實(shí)現(xiàn)靜態(tài)應(yīng)用和電子郵件應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，往往只是針對某一特殊的應(yīng)用需求。而目前隨著承載業(yè)務(wù)的變化和交換技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)的、可預(yù)測的新特點(diǎn)，如云網(wǎng)絡(luò)。云網(wǎng)絡(luò)根據(jù)各種應(yīng)用對資源的實(shí)時(shí)需要，動(dòng)態(tài)地供應(yīng)資源，以滿足多種應(yīng)用需求。顯然，云網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)理念和服務(wù)范疇，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)固有的高傳輸延遲成為了網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的最大障礙，云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)交換將迎來黃金時(shí)代。

基于云網(wǎng)絡(luò)的交換新特性

縱觀數(shù)據(jù)中心的發(fā)展，它正呈現(xiàn)出從物理領(lǐng)域遷移到虛擬領(lǐng)域并且最終過渡到云網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢。在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心中，客戶服務(wù)器是基于傳統(tǒng)萬維網(wǎng)、郵件傳輸或文件傳輸?shù)囊笤O(shè)計(jì)的；新的數(shù)據(jù)中心云網(wǎng)絡(luò)與之不同，它必須具有更高的性能。

當(dāng)今的應(yīng)用要求更有針對性，對網(wǎng)絡(luò)性能的要求更“苛刻”，如大容量存儲(chǔ)設(shè)備或者虛擬機(jī)映像的大量數(shù)據(jù)傳輸，或是web2.0大規(guī)模數(shù)據(jù)分析，這些應(yīng)用既要求低延遲無阻塞，又要求高速傳輸數(shù)據(jù)。要迎合這些新的應(yīng)用，對于數(shù)據(jù)中心云網(wǎng)絡(luò)來說，具有能使可擴(kuò)展性、可預(yù)測性、低延遲、無阻塞傳輸、以太網(wǎng)與高速以太網(wǎng)快速互連等多種性能達(dá)到一種平衡的能力，顯得至關(guān)重要。

而相應(yīng)地，這就要求新一代數(shù)據(jù)中心級交換架構(gòu)的一個(gè)設(shè)計(jì)關(guān)鍵就是實(shí)現(xiàn)物理機(jī)和虛擬機(jī)的應(yīng)用性能的匹配和統(tǒng)一，讓所有的交換節(jié)點(diǎn)具有相同的無阻塞帶寬和可預(yù)測的延遲。

數(shù)據(jù)中心交換架構(gòu)的組成

目前數(shù)據(jù)中心常用的交換方式主要有兩種：一種是直通交換，即當(dāng)輸入端口檢測到一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，檢查該包的包頭并獲取包的目的地址，然后啟動(dòng)內(nèi)部的動(dòng)態(tài)查找表轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸出端口，接通輸入與輸出交叉處，把數(shù)據(jù)包直通到相應(yīng)的端口，從而實(shí)現(xiàn)交換功能。由于它只檢查數(shù)據(jù)包的包頭(通常只檢查14個(gè)字節(jié))，不需要存儲(chǔ)，所以切入方式具有延遲小、交換速度快的優(yōu)點(diǎn)，適用于高性能計(jì)算集群(HPC)應(yīng)用；另一種是具有深度緩存結(jié)構(gòu)和虛擬輸出隊(duì)列機(jī)制(VOQ)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換，它為數(shù)據(jù)中心應(yīng)用提供了必要的緩沖(如圖1)，在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)前先對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和存儲(chǔ)以進(jìn)行校驗(yàn)。

Arista發(fā)布的業(yè)界領(lǐng)先的數(shù)據(jù)中心級系列交換機(jī)——Arista 7100系列和Arista 7048交換機(jī)就分別采用了這兩種交換方式以應(yīng)對不同的性能要求。其中，Arista 7100系列設(shè)備采用了直通交換，是具有高性能、極低延時(shí)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)中心交換機(jī)，專為低延遲、兩層的高性能計(jì)算(HPC)網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)。而對于使用不對稱的1&10Gb以太網(wǎng)連接來支持存儲(chǔ)的下一代高負(fù)載數(shù)據(jù)中心來說，采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式的Arista7048系列則是最佳選擇。

圖1(1) 低延遲，高性能網(wǎng)絡(luò)(HCP)應(yīng)用

圖1(2)大規(guī)模，不對稱數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)

Arista 7100——滿足高性能計(jì)算發(fā)展

過去一年，高性能計(jì)算領(lǐng)域的發(fā)展速度突飛猛進(jìn)，也為高性能計(jì)算系統(tǒng)提出了新的要求。其中，極低延遲是實(shí)現(xiàn)高性能集群的必要因素。目前，在金融服務(wù)項(xiàng)目上最常聽到的一個(gè)詞語就是高頻交易(HFT)，它是一種要求高性能計(jì)算的新應(yīng)用，它運(yùn)用計(jì)算速度極快的超強(qiáng)計(jì)算機(jī)建立高通量的光線網(wǎng)絡(luò)，直通股票交易市場，利用監(jiān)管漏洞和其它交易者相對較慢的反應(yīng)速度來獲取利潤。根據(jù)實(shí)時(shí)市場數(shù)據(jù)來進(jìn)行高頻交易的應(yīng)用都要求采用直通交換和共享存儲(chǔ)器交換技術(shù)，以保證超低延遲。這種場合的延遲是用幾微秒甚或是幾百納秒來度量的。對于高性能計(jì)算、高頻率交易等具有穩(wěn)定及對稱的數(shù)據(jù)傳輸模式應(yīng)用中，直通交換對終端用戶來說是非常理想的交換方式。尤其是在網(wǎng)速只占用了不到一半、網(wǎng)絡(luò)傳輸并不擁堵的情況下，此時(shí)對低延遲的要求尤為關(guān)鍵。直通交換可以使延遲減少好幾微秒，特別是在傳輸大型和超大幀數(shù)據(jù)包時(shí)更能節(jié)約時(shí)間。Arista作為一家發(fā)展勢頭迅猛的新興高性能計(jì)算公司，其發(fā)布的7100系列高性能萬兆以太網(wǎng)交換機(jī)非常適合于要求超低延遲的系統(tǒng)，它采用了直通交換方式，數(shù)據(jù)包接收后可直接被轉(zhuǎn)發(fā)，無需緩存在存儲(chǔ)器中。它能在最小隊(duì)列和串行延遲時(shí)提供快速多點(diǎn)傳送，使得傳輸速度加快，其傳輸速率高達(dá)960Gbps每秒，延遲低至600納秒(如圖2)。7100系列交換機(jī)可將現(xiàn)有的基于千兆以太網(wǎng)的服務(wù)器，以無縫遷移路徑方式遷移至基于萬兆以太網(wǎng)的高性能服務(wù)器上，同還可實(shí)現(xiàn)虛擬化環(huán)境過渡，有力推動(dòng)了千兆到萬兆以太網(wǎng)的過渡。

Arista 7048——應(yīng)對下一代高密度數(shù)據(jù)中心部署

對于如骨干網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、存儲(chǔ)區(qū)無縫接入、數(shù)據(jù)中心等高負(fù)載、高運(yùn)算度的網(wǎng)絡(luò)，特別是針對大聚簇?cái)?shù)據(jù)處理，分布式搜索和數(shù)據(jù)庫查詢系統(tǒng)等要求大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用，負(fù)載平衡和流量管理是任何云數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵服務(wù)。

圖2 高性能計(jì)算機(jī)集群中的低延遲直通交換

圖3需要大容量緩沖區(qū)和VOQ存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換機(jī)來進(jìn)行不對稱傳輸?shù)拇笠?guī)模數(shù)據(jù)中心

在一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)良的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)中，每個(gè)端口要求好幾兆的傳輸速度，交換機(jī)必須提供更多的緩沖區(qū)來保證足夠快的傳輸速度。當(dāng)今的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換機(jī)利用虛擬輸出隊(duì)列(VOQ)來更好地協(xié)調(diào)“任意點(diǎn)到任意點(diǎn)(any to any)”的通信傳輸。虛擬輸出隊(duì)列避免了交換路線阻塞和經(jīng)常困擾老式交換機(jī)的“隊(duì)頭阻塞”問題。將虛擬輸出隊(duì)列技術(shù)與可擴(kuò)展的緩沖寄存區(qū)結(jié)合起來，將使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能更加靈活。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)傳輸遇上網(wǎng)絡(luò)高峰或者服務(wù)器同時(shí)登陸導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷過重時(shí)，大容量緩存區(qū)能有效緩解網(wǎng)絡(luò)擁堵，因此交換機(jī)就必須有足夠的緩存區(qū)來及時(shí)地存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)并保證沒有數(shù)據(jù)丟失。采用具有大容量緩沖區(qū)和VOQ存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式的Arista 7048交換機(jī)能夠很好地解決這一問題。Arista 7048是一款線速多層交換機(jī)，具有48個(gè)RJ-45千兆以太網(wǎng)接口和4個(gè)1/10Gb以太網(wǎng)上行鏈路，為骨干網(wǎng)提供了高達(dá)40G的互聯(lián)容量。而且Arista 7048是首款集成Citrix NetScaler系統(tǒng)的交換機(jī)，提供負(fù)載均衡和應(yīng)用安全功能。其每個(gè)端口都有極大的緩沖能力，并具有特制的擁塞管理架構(gòu)來應(yīng)對高流量負(fù)荷。

隨著數(shù)據(jù)中心從1 Gbps向10 Gbps的遷移，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)和高速以太網(wǎng)的不對稱連接需求十分急迫。對于像10G到1G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的不對稱傳輸來說，深度緩沖區(qū)非常重要，它用于支持不同速度端口間的轉(zhuǎn)換，保持高速端口和低速端口間協(xié)同工作。因此，Arista 7048交換機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)不對稱速率以太網(wǎng)之間的連接(如圖3)。

云網(wǎng)絡(luò)案例

以著名的Facebook社交網(wǎng)站為例，當(dāng)你登錄到Facebook時(shí)，你會(huì)獲得大量動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)，或者當(dāng)你發(fā)送一個(gè)請求到Facebook網(wǎng)站時(shí)，你會(huì)獲得一個(gè)響應(yīng)。但是，為了獲得這個(gè)響應(yīng)，內(nèi)部的服務(wù)器必須進(jìn)行大量的計(jì)算和數(shù)據(jù)庫查詢的動(dòng)作，如最近哪些朋友加入了網(wǎng)絡(luò)，哪些朋友更新了他們的資料。所有這些數(shù)據(jù)都必須真實(shí)快速地實(shí)時(shí)回復(fù)。因此，數(shù)據(jù)中心需要高性能的連接。

對于這種應(yīng)用需求，在典型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案中，一般會(huì)設(shè)置訪問層、分布層和核心層。如果數(shù)據(jù)流量要從一個(gè)服務(wù)器到達(dá)另一個(gè)服務(wù)器，那么就是從訪問層到分布層再到核心層，然后返回分布層，最后重回到訪問層。而Arista的解決方案則是基于“云”設(shè)計(jì)的思想模式，它使用了云干(CS)—云葉(CL)構(gòu)筑的流量二層設(shè)計(jì)(如圖4)。CS負(fù)責(zé)沿第2層或第3層節(jié)點(diǎn)間的優(yōu)化路徑轉(zhuǎn)發(fā)流量，CL則控制服務(wù)器間的流量。這樣，大多數(shù)流量都在這兩層上。此處有一個(gè)核心設(shè)備，但是它主要是用于傳輸流出數(shù)據(jù)中心外的流量。這一方案可以結(jié)合Arista7100系列和Arista7048交換機(jī)來搭建，CS采用Arista7100系列交換機(jī)，CL采用Arista7048交換機(jī)，這樣可以同時(shí)發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，提供一個(gè)具備無阻塞、低延遲、高密度的萬兆級交換云網(wǎng)絡(luò)。

資料顯示目前Facebook已經(jīng)組建了一個(gè)由30000個(gè)服務(wù)器組成的基于Arista交換方案的云網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)檢索時(shí)間降低。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫檢索方案需要五微秒的應(yīng)答時(shí)間，而Facebook能將應(yīng)答時(shí)間減少至半微秒，減少了轉(zhuǎn)發(fā)中繼產(chǎn)生的延遲，增加了連接穩(wěn)定性。

大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)在最初設(shè)計(jì)時(shí)，只用于適應(yīng)老一代交換機(jī)和路由器有限的吞吐量、端口密度以及客戶服務(wù)器應(yīng)用模式。今后的網(wǎng)絡(luò)不再需要圍繞這些缺陷改進(jìn)設(shè)計(jì)。目前大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心以優(yōu)化延遲性、可預(yù)測性、通信模式作為設(shè)計(jì)核心要素。借助新交換結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)的應(yīng)用接入，滿足當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性的需求。而Arista交換產(chǎn)品的“閃亮登場”在新一代數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的引發(fā)了強(qiáng)大的明星效應(yīng)，它優(yōu)化了云網(wǎng)絡(luò)解決方案，博得了業(yè)界的熱烈掌聲。

圖4 基于Arista7000產(chǎn)品系列的云網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

參考資料：

1.http://www.aristanetworks.com/

en/SwitchingArchitecture_wp.pdf

2.http://www.aristanetworks.com/

3.http://www.sinogrid.com/Default.aspx

4.http://networking.ctocio.com.cn/tips/153/9177653.shtml

5.http://tech.sina.com.cn/b/2009-08-04/10573321231.shtml