面向云計(jì)算的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探析

摘要：最近幾年來(lái)，云計(jì)算技術(shù)蓬勃發(fā)展起來(lái)，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行機(jī)制存在一定的固化性，無(wú)法滿足現(xiàn)有形勢(shì)下對(duì)高性能和高性價(jià)比的需求，而且也無(wú)法支持目前云環(huán)境下的靈活的根據(jù)帶寬租賃數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)方式。所以，構(gòu)建一種低造價(jià)、靈活性強(qiáng)和高連通性的非樹狀數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)十分必要。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算；數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)；體系結(jié)構(gòu)；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TP308 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9599 （2012） 24-0111-02

1 前言

以往的數(shù)據(jù)中心是基于客戶端/服務(wù)器模式進(jìn)行的，這時(shí)的數(shù)據(jù)中心主要用來(lái)存放服務(wù)器。最近幾年來(lái)，云計(jì)算技術(shù)蓬勃發(fā)展起來(lái)，這也促進(jìn)了數(shù)據(jù)中心建設(shè)的高潮。云計(jì)算環(huán)境下的Internet網(wǎng)絡(luò)從傳送信息數(shù)據(jù)的角色過(guò)渡到直接傳送服務(wù)。對(duì)于私有云，企業(yè)將數(shù)據(jù)中心作為硬件平臺(tái)，而對(duì)于公有云，企業(yè)則將數(shù)據(jù)中心作為構(gòu)建的骨干資源，運(yùn)行在云上的服務(wù)也更加復(fù)雜化和多樣化，對(duì)可靠性、可管理性的要求也更加細(xì)化，這需要更新的設(shè)計(jì)理念和更優(yōu)化的運(yùn)行機(jī)制來(lái)進(jìn)行支持?；谏鲜瞿康模覀儗?duì)如何構(gòu)建低造價(jià)、商業(yè)性和高連通性的數(shù)據(jù)中心的方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，并形成了面向云計(jì)算的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。

2 面向云計(jì)算的數(shù)據(jù)中心簡(jiǎn)介

2.1 面向云計(jì)算的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)中心主要是指以外包方式對(duì)網(wǎng)上公司出租網(wǎng)站設(shè)備或數(shù)據(jù)的地方，是IT應(yīng)用組織化和規(guī)范化的重要標(biāo)志。

隨著云計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心已經(jīng)從簡(jiǎn)單的單一服務(wù)器托管和維護(hù)場(chǎng)所逐步衍變成集海量數(shù)據(jù)運(yùn)算和存儲(chǔ)為一體的高性能計(jì)算機(jī)集中地。IT廠商也將從前以單臺(tái)計(jì)算機(jī)為單位的服務(wù)器變成多臺(tái)計(jì)算機(jī)群體模式，并基于上述模式開發(fā)出一系列的先進(jìn)技術(shù)。例如云計(jì)算、虛擬化和云存儲(chǔ)等等，顯著提高了單位服務(wù)器的運(yùn)行效率。面向云計(jì)算的數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的、整合的、最優(yōu)化的、自動(dòng)化的和虛擬化的高可用計(jì)算環(huán)境和適應(yīng)性基礎(chǔ)設(shè)施。

2.2 面向云計(jì)算的數(shù)據(jù)中心的基本特點(diǎn)

（1）標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施模塊化。為了使IT基礎(chǔ)設(shè)施達(dá)到簡(jiǎn)化、適應(yīng)性強(qiáng)和可擴(kuò)展性的特點(diǎn)，面向云計(jì)算的數(shù)據(jù)中心必須根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備、服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)等基本構(gòu)件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，以滿足數(shù)據(jù)中心服務(wù)需求。模塊化設(shè)計(jì)不僅能夠簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)中心環(huán)境，增強(qiáng)成本控制，還能夠顯著提高數(shù)據(jù)中心的工作效率，降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。（2）資源環(huán)境虛擬化。虛擬化技術(shù)主要是指通過(guò)將物理資源集中起來(lái)形成一個(gè)虛擬的共享資源池，從而使得資源的使用更加靈活，還能夠降低使用資源的成本，優(yōu)化資源的利用率。（3）高擴(kuò)展性。面向云計(jì)算的數(shù)據(jù)中心的物理結(jié)構(gòu)是可擴(kuò)展的，同時(shí)還要支持增量擴(kuò)展，這樣在增加新服務(wù)器時(shí)才不會(huì)影響到已有的服務(wù)器運(yùn)行。另外，通信協(xié)議的設(shè)計(jì)也需要是可擴(kuò)展的。（4）容錯(cuò)性良好。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)，服務(wù)器和鏈路故障率也會(huì)顯著提升，所以面向云計(jì)算的數(shù)據(jù)中心必須具有良好的容錯(cuò)性和足夠的物理冗余。（5）服務(wù)器間通信性能良好。數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用在服務(wù)器間的流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于和外部客戶之間交互的流量，因此，服務(wù)器間的通信性能要符合要求。（6）地址結(jié)構(gòu)與位置無(wú)關(guān)。服務(wù)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)應(yīng)該和物理位置無(wú)關(guān)，這樣才能解決數(shù)據(jù)中心對(duì)服務(wù)器地址的限制問(wèn)題，不僅提高了資源的利用率，還保證了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

3 面向云計(jì)算的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 虛擬交換機(jī)技術(shù)

云計(jì)算環(huán)境具有顯著的多租戶特點(diǎn)，在同一套物理設(shè)備上運(yùn)行不同用戶業(yè)務(wù)要求網(wǎng)絡(luò)的隔離能力必須完善，這樣才能保證多業(yè)務(wù)能夠整合在同一網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上?，F(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的多層面邏輯隔離的基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)據(jù)中心核心交換機(jī)提供了進(jìn)一步的隔離技術(shù)，即通過(guò)虛擬交換機(jī)技術(shù)在邏輯上將一個(gè)交換機(jī)分成多個(gè)虛擬交換機(jī)，不同虛擬機(jī)之間徹底隔離，各自獨(dú)立擁有二層、三層協(xié)議棧、進(jìn)程和管理員。該技術(shù)能夠保證系統(tǒng)的高安全性、對(duì)資源調(diào)度的靈活性和高效性。

3.2 超大規(guī)模擴(kuò)展技術(shù)

目前的大型互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心大都采取基于map reduce的編程模式，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)海量數(shù)據(jù)的高效并行處理。但是由于map reduce框架要求開發(fā)人員必須在超大規(guī)模計(jì)算集群上分配計(jì)算任務(wù)并進(jìn)行并行處理，這樣就會(huì)造成計(jì)算集群之間和服務(wù)器之間較大的吞吐量，因此網(wǎng)絡(luò)需要具有足夠承載該計(jì)算集群而無(wú)交換阻塞的能力。因此，面向云計(jì)算的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)需要具備在二層網(wǎng)絡(luò)上提供超大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的能力。VPC（Virtual Port-Channel）是一種通過(guò)合理整合2個(gè)交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)平面，從而應(yīng)用Port-Channel技術(shù)實(shí)現(xiàn)接入設(shè)備能夠同時(shí)鏈接2個(gè)匯聚交換機(jī)而實(shí)現(xiàn)雙倍聚合帶寬的擴(kuò)展技術(shù)。另外，業(yè)界還提出了Fabric-Path協(xié)議，該技術(shù)以MAC地址學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)，有效減小了邊緣交換機(jī)的MAC地址表壓力。通過(guò)該技術(shù)能夠構(gòu)建一個(gè)扁平的、高效的和超大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，是目前大規(guī)模虛擬化數(shù)據(jù)中心的最重要技術(shù)之一。

3.3 跨地互聯(lián)技術(shù)

因?yàn)楣╇?、制冷以及容?zāi)和備份的要求，數(shù)據(jù)中心必須在物理上相互分離，但是邏輯上要保持一體，通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)，要使得計(jì)算能力能夠在不同數(shù)據(jù)中心間自由的流動(dòng)。這時(shí)就提出了OTV（Overlay Transport Virtualization）技術(shù)。OTV能夠?qū)崿F(xiàn)打通數(shù)據(jù)中心的IP骨干網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)ISIS建立Adjacency關(guān)系，從而方便交換數(shù)據(jù)中心的MAC表。OTV技術(shù)通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)數(shù)據(jù)中心間網(wǎng)絡(luò)的虛擬化和整合，使得資源能夠在不同數(shù)據(jù)中心之間自由流動(dòng)，大大簡(jiǎn)化了對(duì)網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)、提高了網(wǎng)絡(luò)的整體穩(wěn)定性，同時(shí)也為數(shù)據(jù)中心提供了網(wǎng)絡(luò)保證。

3.4 客戶端路由感知技術(shù)

在面向云計(jì)算的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中，計(jì)算資源能夠在不同數(shù)據(jù)中心之間自由的流動(dòng)。這時(shí)，就需要知道流動(dòng)發(fā)生以后，客戶端怎樣感知到流動(dòng)的計(jì)算資源，這樣才能保證正確的把數(shù)據(jù)包發(fā)送到新的數(shù)據(jù)中心。新一代路由技術(shù)LISP很好的解決了上述問(wèn)題，LISP通過(guò)應(yīng)用BGP協(xié)議來(lái)構(gòu)建控制平面，并應(yīng)用MS（map server）記錄RLOC與EID之間的相互對(duì)應(yīng)關(guān)系。虛擬機(jī)一旦流動(dòng)到新數(shù)據(jù)中心就必須到MS重新注冊(cè)得到新的RLOC和EID對(duì)應(yīng)關(guān)系，這樣客戶機(jī)就可以通過(guò)查詢MS來(lái)找到新的RLOC，進(jìn)而把數(shù)據(jù)包送到新的數(shù)據(jù)中心內(nèi)。

3.5 虛擬化I/O技術(shù)

由于數(shù)據(jù)中心存在多種網(wǎng)絡(luò)類型且性能差別較大，使得數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)相互分割，無(wú)法形成一個(gè)統(tǒng)一的虛擬資源池，對(duì)網(wǎng)絡(luò)I/O的整合與節(jié)能減排非常不利。想要通過(guò)以太網(wǎng)對(duì)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行整合，就必須對(duì)現(xiàn)有以太網(wǎng)進(jìn)行改進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)不丟幀和提高服務(wù)質(zhì)量的結(jié)果，這就是以太網(wǎng)DCB。DCB包括一系列相關(guān)協(xié)議，包括進(jìn)行流控和保證服務(wù)質(zhì)量的重要協(xié)議IEEE802.1qbb與IEEE802.1qaz。除此之外，T11還通過(guò)FC-BB-6對(duì)DCB網(wǎng)絡(luò)上的FC幀承載方法進(jìn)行了定義，即FCoE。通過(guò)這些技術(shù)就可以把以前需要多張網(wǎng)才能承載的流量整合到使用一張網(wǎng)進(jìn)行承載，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)I/O虛擬和整合。

4 結(jié)論

隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的快速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)的普及，作為信息服務(wù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)中心發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。IT行業(yè)的蓬勃發(fā)展促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)應(yīng)用更多的向數(shù)據(jù)中心移動(dòng)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心的規(guī)模急劇擴(kuò)大?；A(chǔ)資源需求的快速攀升和單一昂貴的數(shù)據(jù)中心資源提供方式的矛盾更加突出，導(dǎo)致傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心面臨低效率、高成本和高能耗的嚴(yán)重問(wèn)題。而面向云環(huán)境的數(shù)據(jù)中心能夠按需為多租戶提供服務(wù)，其彈性可擴(kuò)展的服務(wù)特征是解決數(shù)據(jù)中心效率問(wèn)題的重要途徑，并推動(dòng)一系列相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新，促進(jìn)了下一代數(shù)據(jù)中心的新的發(fā)展方向。

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