云計(jì)算下的網(wǎng)絡(luò)通信分析

萬寶秀 王智鋼 顧蕓涵 陳珠

摘 要：近年來，云計(jì)算作為一種新的服務(wù)模式已成為計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。本文首先介紹了云計(jì)算的概念、特征及關(guān)鍵技術(shù)，然后對云計(jì)算下的網(wǎng)絡(luò)通信從4個(gè)方面進(jìn)行了簡單的分析，最后提出了筆者下一步研究的方向。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算 通信 虛擬化 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

中圖分類號：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）02（a）-0068-02

隨著輸水管道的日漸成熟，我們從自家打井取水逐漸過渡到通過水龍頭獲取來自自來水廠的水；隨著金融業(yè)的發(fā)展，人類從自己保藏財(cái)物逐漸過渡把錢存到銀行；同樣，隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人類正在由通過利用個(gè)人存儲設(shè)備過渡到向數(shù)據(jù)中心獲取信息。云計(jì)算（cloud computing）是“第三次 IT革命”，它集中體現(xiàn)了信息時(shí)代網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)展的方向。

1 云計(jì)算的概念

近年來，云計(jì)算作為一種新的服務(wù)模式，已經(jīng)成為IT業(yè)討論最多的話題。云計(jì)算是讓用戶在不了解資源的情況下做到按照需求分配，把資源虛擬化為一片云，我們可以通過網(wǎng)絡(luò)的按照需求擴(kuò)展方式來獲得所需的應(yīng)用軟件及互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的服務(wù)。自從2007年IBM提出云計(jì)算的概念時(shí)，許多專家學(xué)者、相關(guān)產(chǎn)商以及專門的研究組織都相繼給出關(guān)于云計(jì)算的不同定義。結(jié)合自己的理解，筆者認(rèn)同云計(jì)算是將存儲、通信、網(wǎng)絡(luò)、管理解決方案以及相關(guān)業(yè)務(wù)應(yīng)用相聯(lián)系，以虛擬技術(shù)為核心，以用戶為主體，以網(wǎng)絡(luò)為載體的大型資源共享型商業(yè)服務(wù)模式。

2 云計(jì)算的特征及關(guān)鍵技術(shù)

“云”是存儲在互聯(lián)網(wǎng)集群上的資源，它包括硬件資源（服務(wù)器、存儲、CPU等）和軟件資源（應(yīng)用軟件、集成開發(fā)環(huán)境等），本地計(jì)算機(jī)只需要通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送一個(gè)需求信息，遠(yuǎn)端就會有成千上萬的計(jì)算機(jī)為用戶提供需要的資源并將結(jié)果返回到本地計(jì)算機(jī)。云計(jì)算的主要特征總結(jié)為以下五點(diǎn)：共享模式；盈利模式；良好的擴(kuò)展性；更低的成本；良好的可伸縮性。云計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)概括為以下四點(diǎn)：簡單的程序模型；數(shù)據(jù)存儲與管理；分布式數(shù)據(jù)庫；虛擬化技術(shù)。

3 云計(jì)算下的網(wǎng)絡(luò)通信分析

3.1 網(wǎng)絡(luò)虛擬化的實(shí)現(xiàn)

而隨著云計(jì)算的涌入，我們在思考如何實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬化，如何實(shí)現(xiàn)物理機(jī)內(nèi)部的虛擬網(wǎng)絡(luò)，外部網(wǎng)絡(luò)又如何靈活調(diào)整以適應(yīng)虛擬機(jī)對網(wǎng)絡(luò)不斷變化的要求，又如何確保網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的安全性。

主機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)主要包括虛擬網(wǎng)卡技術(shù)和虛擬網(wǎng)橋技術(shù)，現(xiàn)在一般每臺物理機(jī)均有兩塊物理網(wǎng)卡，其中一塊物理網(wǎng)卡用于連接外網(wǎng)；另一塊網(wǎng)卡用于連接內(nèi)網(wǎng)交換機(jī)。在虛擬機(jī)內(nèi)部，虛擬機(jī)會看到兩塊網(wǎng)卡，一塊分配內(nèi)網(wǎng)IP地址；另一塊分配了公網(wǎng)IP地址。很顯然，虛擬機(jī)對外發(fā)送的數(shù)據(jù)包的路由選路是根據(jù)虛擬機(jī)自身的路由配置決定的。同一臺物理機(jī)中的多臺虛擬機(jī)，我們還可以劃分VLAN，控制不同虛擬機(jī)間的通訊。

那么多塊虛擬網(wǎng)卡在同一臺物理服務(wù)器中共享一塊物理網(wǎng)卡的同時(shí)對外仍然表現(xiàn)為多塊獨(dú)立的網(wǎng)卡。這就借助于虛擬網(wǎng)橋，它是將多個(gè)虛擬網(wǎng)卡綁定到物理網(wǎng)卡并對虛擬網(wǎng)卡的流量進(jìn)行可控的一種技術(shù)手段。

除了主機(jī)網(wǎng)絡(luò)的虛擬化，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的虛擬化也是很重要的技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬化除了對于交換機(jī)核心架構(gòu)的無阻塞的要求外，我們可以將多臺設(shè)備邏輯的看成一臺，類似于VSS（Virtual Switching Systems）技術(shù)，可以將兩臺設(shè)備邏輯地堆疊在一起，能夠做到相互的備份。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬化可以將多臺網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬成多臺虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，管理員接入任何一個(gè)設(shè)備都可以對該虛擬設(shè)備進(jìn)行管理，從而在網(wǎng)絡(luò)部署和管理上都大大簡化了工作量。

3.2 網(wǎng)絡(luò)通信流量監(jiān)控和性能

我們一般通過虛擬機(jī)交換機(jī)解決同一臺物理服務(wù)器內(nèi)部的虛擬機(jī)二層網(wǎng)絡(luò)互訪問題，但其實(shí)使用虛擬機(jī)交換機(jī)還存在兩大問題：一是虛擬機(jī)之間的流量監(jiān)控問題；二是性能問題，當(dāng)虛擬機(jī)網(wǎng)絡(luò)流量越大，虛擬交換機(jī)就會占用越多的CPU資源，同時(shí)也會降低了服務(wù)器支持更多虛擬機(jī)的能力。

為了解決這兩大問題，采用兩種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是802.1Qgb-edge virtual bridging（邊緣虛擬橋技術(shù)）和802.1BR-Bridge Port Extension。

邊緣虛擬橋技術(shù)是當(dāng)前用于解決虛擬化環(huán)境中的虛擬機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)之間的溝通與管理邊界問題而產(chǎn)生，并在此標(biāo)準(zhǔn)802.1 Qbg定義的框架基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)VM生命周期與網(wǎng)絡(luò)的自動化關(guān)聯(lián)、網(wǎng)絡(luò)屬性的靈活變更。EVB技術(shù)中，VEB/VEPA各種部件位于服務(wù)器一側(cè)，對服務(wù)器的流量進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，VEB/VEPA各種部件轉(zhuǎn)發(fā)的流量包括虛擬服務(wù)器之間，和虛擬服務(wù)器與邊緣交換機(jī)（與物理服務(wù)器直連）之間的全部流量。從技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度，以及某些特殊應(yīng)用場景下，802.1Qbg的不同模式是可以同時(shí)存在的，并且技術(shù)上要求能夠多層級聯(lián)，這在標(biāo)準(zhǔn)預(yù)備文檔中也進(jìn)行了描述。但在更多的場景下，并不需要復(fù)雜的級聯(lián)拓?fù)浜蛯哟?，?biāo)準(zhǔn)在使用上建議了一個(gè)基本的EVB架構(gòu)。

802.1BR-Bridge Port Extension是CISCO提出的新技術(shù)，通過引入端口擴(kuò)展技術(shù)，運(yùn)用了MPLS技術(shù)的思想，為以太網(wǎng)報(bào)文增加TAG標(biāo)簽，外部端口擴(kuò)展設(shè)備使用TAG中的信息來實(shí)現(xiàn)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)和策略控制。當(dāng)然如何分發(fā)TAG必須新的協(xié)議的支持，雖說8021.Br提供了一整套的網(wǎng)絡(luò)虛擬化解決措施，但還是需要改變硬件設(shè)備來達(dá)到這樣的要求。

這兩種處于發(fā)展中的標(biāo)準(zhǔn)，我們還不能說誰更好，就像IP協(xié)議和ATM協(xié)議的發(fā)展一樣，隨著云計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展，最終會有這樣的一種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)占據(jù)主流。

3.3 網(wǎng)絡(luò)通信中大數(shù)據(jù)的處理

我們正處在一個(gè)信息化的時(shí)代，據(jù)工業(yè)和信息化部電信管理局公布的最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國網(wǎng)民數(shù)量達(dá)到5.64億人，手機(jī)網(wǎng)民規(guī)模4.2億，網(wǎng)民人均周上網(wǎng)時(shí)長達(dá)20.5小時(shí)。伴隨著上網(wǎng)的人數(shù)激增，我們在互聯(lián)網(wǎng)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)也是呈指數(shù)級增長。大量信息在給人們帶來方便的同時(shí)也帶來了很多的問題：第一是信息量大，難以消化；第二是信息真假難以辨識；第三是信息安全難以保證；第四是信息形式不一致，難以統(tǒng)一處理。這樣的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，人們開始提出一個(gè)新的口號：“要學(xué)會拋棄信息”。人們開始想：“如何才能不被龐大的信息量淹沒，而是從中及時(shí)發(fā)現(xiàn)有用的知識、提高信息利用率？”這時(shí)出現(xiàn)了新的技術(shù)，能夠挖掘有用信息，“綠色”了網(wǎng)絡(luò)存儲環(huán)境——數(shù)據(jù)挖掘（Data Mining）技術(shù)便應(yīng)用而生了。

數(shù)據(jù)挖掘的研究包括多個(gè)不同學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)和成果，使得目前的數(shù)據(jù)挖掘方法呈現(xiàn)多種多樣的形式。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)分為很多類，其中一種知識發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)類挖掘技術(shù)，它包括關(guān)聯(lián)規(guī)則、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、決策樹、粗糙集等多個(gè)方面。我們重點(diǎn)研究分布式并行關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法，該算法針對分布式應(yīng)用數(shù)據(jù)架構(gòu)，不需要產(chǎn)生全局FP-tree，避免了FP-tree可能過大而內(nèi)存無法容納的問題，算法在各個(gè)主要步驟上都實(shí)現(xiàn)了并行處理。

結(jié)合現(xiàn)實(shí)，比如交通事故，它產(chǎn)生的數(shù)據(jù)本質(zhì)是多維的，甚至是雜亂無章的，那么如何組織這些比較分散的數(shù)據(jù)呢？有必要研究一下車輛事故屬性。車輛事故屬性是指某次車輛事故發(fā)生時(shí)，人車路環(huán)境和時(shí)空狀態(tài)，以及車輛事故本身的特點(diǎn)。通過解析這些屬性，對其整理分析，進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘。然后，我們可通過建立一些交通事故屬性的模型，以層次圖的形式，列出這些事故屬性，并且找出這些屬性之間的相關(guān)聯(lián)系，比如車輛屬性、天氣屬性、道路屬性、駕駛者屬性、時(shí)間屬性等等類似，考慮到各屬性之間的相關(guān)性，可以結(jié)合數(shù)學(xué)建模的方法，構(gòu)建出星型全連接結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)i。最后我們可以借助關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘的算法求出所有的頻繁項(xiàng)集。

3.4 云計(jì)算下通信網(wǎng)絡(luò)的擁塞

由于遷移往往帶來服務(wù)器之間橫向流量的增加，導(dǎo)致云計(jì)算內(nèi)部的流量模型從以縱向流量（用戶訪問服務(wù)器流量）為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐詸M向流量（服務(wù)器之間的流量）為主，這樣的轉(zhuǎn)變會使我們對網(wǎng)絡(luò)的要求也會隨之調(diào)整，否則肯定帶來網(wǎng)絡(luò)的擁塞問題。

現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)大多是分為核心、匯聚、接入層，這個(gè)時(shí)候如果當(dāng)兩臺不同分支的設(shè)備進(jìn)行互訪，仍然需要通過核心層，一方面增加了時(shí)延；另一方面也不適應(yīng)云計(jì)算環(huán)境下的橫向流量的通訊，因?yàn)楫?dāng)橫向流量激增，肯定會造成網(wǎng)絡(luò)的阻塞。如果我們能夠?qū)⑷龑泳W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡化為二層結(jié)構(gòu)（如圖1），雖說簡化，我們還是不能忽略網(wǎng)絡(luò)本身性能要求，在二層架構(gòu)下我們還是有很多問題需要處理，比如環(huán)路問題，傳統(tǒng)的方式我們主要采用STP，阻塞相應(yīng)的端口，這樣某個(gè)角度是浪費(fèi)了帶寬，將某條鏈路閑置。因此，在云計(jì)算環(huán)境下，研究者重新從數(shù)據(jù)層（Data plane）和控制層（control plane）角度，目前生成樹方面采用的MSTP，根據(jù)鏈路的條數(shù)，創(chuàng)建MSTP的實(shí)例，在解決環(huán)路的同時(shí)，也做到充分利用了帶寬。

4 結(jié)語

伴隨著很多廠家對云計(jì)算開發(fā)的投入，眾多領(lǐng)域已經(jīng)融入云計(jì)算技術(shù)及思想，筆者也開始自己關(guān)于云計(jì)算的探索，文章僅從四個(gè)方面對云計(jì)算下網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行了分析，就目前我了解的其他方面，包括云計(jì)算通信平臺架構(gòu)搭建問題、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)問題，想法還不夠成熟，我將會在后期的研究中加以探索。

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