淺談云計算在網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)建中的應(yīng)用

單斌

（軟通動力信息技術(shù)(集團)有限公司，天津 300000）

1 云計算的原理與特點

云計算把分布在不同地方、設(shè)備上的海量信息和大量處理器資源融合在一起，組成一個超級系統(tǒng)池，通過互相協(xié)同為外部提供各種各樣的服務(wù)，它是基于Internet的超級化計算方法和模式，其特點在于通過基于互聯(lián)網(wǎng)的多級協(xié)同模式，具有比單臺計算機更強、更快的運算能力，組成集群的分布式計算機并不要求性能很強，但在數(shù)據(jù)處理中心的統(tǒng)一管理下，按客戶的不同需求分配資源，在處理能力上可以起到超級計算機的作用；數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)，負責(zé)分配資源、均衡負載、部署安全控制軟件，由大量計算機構(gòu)成的超級資源池承擔(dān)復(fù)雜、繁重的計算任務(wù)，能夠滿足各種應(yīng)用對計算能力、存儲空間和其他服務(wù)的需求，它通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)中心的各種資源打包后對外提供服務(wù)。

云計算的產(chǎn)生主要來自于兩方面的需求：1)隨著計算機行業(yè)的發(fā)展，系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)、運行維護技術(shù)分工不斷細化；2)用戶自有資源的有限性與公共計算需求的無限性之間不斷擴大的矛盾。云計算的出現(xiàn)和不斷發(fā)展，可以最大限度地利用分布式資源，更迅速、廣泛地交換信息，更準(zhǔn)確地量化和控制成本，云計算虛擬化地封裝分布在不同計算機上的相同規(guī)格的資源，以服務(wù)的形式對外提供資源，云計算有自己的特點：1)1：2資源池的形式對外提供服務(wù)，它以數(shù)據(jù)為中心，以資源池的形式對外提供服務(wù)，“云”里有大量的服務(wù)和軟件，可為用戶提供各種服務(wù)，數(shù)據(jù)密集性強?？煽啃詮?，從純技術(shù)角度看，在相同計算環(huán)境下，云計算采用同構(gòu)節(jié)點 (節(jié)點之間可以互換)，可提供多個數(shù)據(jù)容錯副本，它比其他本地計算的可靠性更強。3)虛擬化技術(shù)。虛擬化是支持云計算技術(shù)的基礎(chǔ)，它將存儲與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器、客戶機等底層硬件虛擬化，對控制和管理平臺進行資源分配和共享，相對隔離各種需求之間的資源。4)通用性強。云計算針對特定企業(yè)或某種具體應(yīng)用，在“云”可伸縮模式下，構(gòu)造許多不同的“服務(wù)”，并在同一時間，運行不同的“應(yīng)用”。5)動態(tài)性強.云計算中服務(wù)池盡管是固定的，但分配給“應(yīng)用”的資源量是可以進行動態(tài)調(diào)整的，可根據(jù)不同“應(yīng)用”的需要，動態(tài)地分配資源，提供軟、硬件服務(wù)。

2 云計算在網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)建中的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用

2.1 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

從降低成本方面考慮，利用低造價交換機及商業(yè)級服務(wù)器來構(gòu)建數(shù)據(jù)中心可以大大減少成本支出。另外，鑒于現(xiàn)在的PC機和服務(wù)器都具有至少兩個網(wǎng)絡(luò)端口，充分利用這些端口可以大大提高拓撲內(nèi)節(jié)點的連通性以獲得更大的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，這樣的構(gòu)建方案具有更好的性價比。

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)是由同一型號的可編程交換機組成，中間的服務(wù)器將網(wǎng)絡(luò)分割成兩個對稱的Fat-Tree結(jié)構(gòu)的特殊變體，每個這樣的Fat-Tree結(jié)構(gòu)包含核心層、匯聚層和接入層3個層次，使用這樣結(jié)構(gòu)的好處是可以保證每臺服務(wù)器的任意網(wǎng)絡(luò)端口都可以同時以網(wǎng)絡(luò)硬件接口所允許的最大帶寬進行通信而不受網(wǎng)絡(luò)通信帶寬瓶頸的制約。

網(wǎng)絡(luò)能夠容納的服務(wù)器數(shù)量取決于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)所使用的交換機的端口數(shù)k，網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)器被分成k組，每組包含 (k/2)2臺服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)被服務(wù)器分成上下兩個部分，每部分的接入層和匯聚層對應(yīng)每組都有k/2臺交換機，每個接入層的交換機分別連接k/2臺服務(wù)器，剩下的端口分別連接上層的交換機.核心層有(k/2)2臺交換機，每臺交換機的第i個網(wǎng)絡(luò)端口連接到第i組的匯聚層的某臺交換機，這樣每個匯聚層的交換機都有k/2條鏈路與核心層的各個交換機相連接.使用具有幾個端口的交換機組建的網(wǎng)絡(luò)可以容納K3/4臺服務(wù)器，我們提出的這種結(jié)構(gòu)適用于任意端口數(shù)的交換機，如采用常見的48口交換機，那么按照本文提出的方法構(gòu)建的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)可以包含27648臺服務(wù)器，足夠支持企業(yè)構(gòu)建自己的私有云平臺。

這種網(wǎng)絡(luò)拓撲構(gòu)建方式有以下4個優(yōu)點：1)雖然相較于傳統(tǒng)樹形結(jié)構(gòu)使用了更多的交換機，但是由于無需在核心層和匯聚層采用造價昂貴的高端高性能交換機，因此減少了總體構(gòu)建成本；2)對于網(wǎng)絡(luò)中任意的兩臺服務(wù)器之間都存在多條等長度的路徑可供選擇；3)充分利用了服務(wù)器的兩個網(wǎng)絡(luò)端口，提高了網(wǎng)絡(luò)的連通性和吞吐量；4)在提出的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中不存在像傳統(tǒng)樹形結(jié)構(gòu)中的單點故障，因此容錯性得到了加強。

2.2 對虛擬機遷移的支持體系

借鑒應(yīng)用于Internet骨干網(wǎng)絡(luò)交換機上的網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，并使駐留在主機上的代理與可編程交換機的控制軟件實時地交換網(wǎng)絡(luò)運行時參數(shù)，以達到動態(tài)調(diào)整各虛擬網(wǎng)絡(luò)帶寬的分配及控制管理參數(shù)的目的，這樣的協(xié)同工作機制使得不同的虛擬網(wǎng)絡(luò)運行不同的網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議成為可能，這將能夠保證運行于不同虛擬網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用服務(wù)對于QoS的個性化需求。

2.5 層代理的另一個重要功能就是實現(xiàn)虛擬機的迅速遷移，設(shè)計2.5層代理的映射功能，通過將虛擬地址和實際地址進行一次映射以隔離上層應(yīng)用使用的網(wǎng)絡(luò)地址和底層網(wǎng)絡(luò)進行交換時使用的物理地址之間的聯(lián)系.不同的是文獻E83映射的是服務(wù)地址和位置信息地址，我們可將每臺主機上駐留的代理為每個虛擬網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建一個映射表，用來記錄網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的虛擬機IP地址與物理主機MAC地址的對應(yīng)關(guān)系.代理之間可以實時通信，通過類似路由發(fā)現(xiàn)的分布式通信機制，周期性更新運行于各臺服務(wù)器上的虛擬主機與硬件網(wǎng)絡(luò)地址的對應(yīng)關(guān)系。

在某個服務(wù)器上建立新的虛擬主機時，代理會記錄新的虛擬IP地址與物理主機MAC地址的對應(yīng)關(guān)系并在該虛擬網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進行廣播，這樣各個代理上對應(yīng)該虛擬網(wǎng)的映射表都將被更新.當(dāng)虛擬機間通信時，請求通信的主機發(fā)送的ARP探測包將直接被代理捕獲，檢索本機代理上的映射表，如果有匹配項將直接返回對應(yīng)的MAC地址，如果沒有，代理將負責(zé)進行廣播以獲得正確的MAC地址.當(dāng)出現(xiàn)服務(wù)器故障時，虛擬主機遷移到其他服務(wù)器上之后，服務(wù)器上的代理將會在網(wǎng)絡(luò)中主動廣播遷移后虛擬主機地址與服務(wù)器端口的對應(yīng)關(guān)系從而加快虛擬機遷移后的恢復(fù)時間。

結(jié)語

在云計算環(huán)境下，“主機”與“顯示器”的電線變成了網(wǎng)絡(luò)，把“主機”變成云服務(wù)提供商的服務(wù)器集群，用戶的使用觀念也會發(fā)生徹底的變化：從“購買產(chǎn)品”到“購買服務(wù)”轉(zhuǎn)變，因為他們直接面對的將不再是復(fù)雜的硬件和軟件，而是最終的服務(wù)。云計算的服務(wù)共享模式體現(xiàn)了以人為本和集約高效的發(fā)展理念，為信息技術(shù)更好的服務(wù)于人的生產(chǎn)生活提供了新的途徑.盡管這一模式的運作還在不斷的成熟之中，但是其發(fā)展方向是樂觀的，云計算正如它美麗的名字一樣，正在不斷的將新的驚喜呈現(xiàn)在世人面前.而其服務(wù)共享模式也將與社會整體發(fā)展的人本取向一道共同促進人的生產(chǎn)與生活。

[1]陳全，鄧倩妮.云計算及其關(guān)鍵技術(shù)[J].計算機應(yīng)用，2009，29(9)：2562-2567.

[2]袁國駿.淺談云計算及其發(fā)展應(yīng)用[J].實驗室科學(xué)，2009(2)：1O3-1O5.

[3]倪鋼.技術(shù)哲學(xué)新論[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2009.

[4]李德毅.云計算支撐信息服務(wù)社會化、集約化和專業(yè)化[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010(6)：668-702.