如何應(yīng)對(duì)大型數(shù)據(jù)中心布線系統(tǒng)部署的挑戰(zhàn)

文/馬銳（康寧光通信）

如何應(yīng)對(duì)大型數(shù)據(jù)中心布線系統(tǒng)部署的挑戰(zhàn)

文/馬銳（康寧光通信）

數(shù)據(jù)中心發(fā)展趨勢

近年來隨著互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，諸如電子商務(wù)，社交媒體，互聯(lián)網(wǎng)金融等新興業(yè)務(wù)層出不窮。尤其是在智能移動(dòng)設(shè)備不斷普及的今天，每個(gè)人的工作生活都與互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生了前所未有的緊密聯(lián)系，從而導(dǎo)致了對(duì)數(shù)據(jù)巨大的需求。生活在大數(shù)據(jù)時(shí)代，我們每天都在產(chǎn)生大數(shù)據(jù)，處理大數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)大數(shù)據(jù)。因此越來越多的企業(yè)都意識(shí)到，如何更加有效地管理這些數(shù)據(jù)將成為支持他們未來業(yè)務(wù)發(fā)展的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)中心也因此成為近年來發(fā)展最為迅猛的細(xì)分市場之一。

現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心的發(fā)展正呈現(xiàn)出新的特點(diǎn)。最新的預(yù)測顯示，未來以太網(wǎng)光收發(fā)器的全球增長驅(qū)動(dòng)力將主要來自大規(guī)?；ヂ?lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心，電信運(yùn)營商數(shù)據(jù)中心以及大型傳統(tǒng)企業(yè)數(shù)據(jù)中心的高速增長。根據(jù)Dell’Oro Group 2015年對(duì)全球以太網(wǎng)服務(wù)器出貨量的最新預(yù)測，10GE服務(wù)器將在2016年占據(jù)最多的市場份額，從2017年開始25GE服務(wù)器的市場份額將會(huì)呈現(xiàn)出快速增長的趨勢。

以往傳統(tǒng)的企業(yè)數(shù)據(jù)中心主要聚焦于對(duì)企業(yè)自身數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和災(zāi)備，對(duì)多用戶數(shù)據(jù)檢索的實(shí)時(shí)性和突發(fā)性大流量訪問的承載能力并未提出過高的要求。但隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)的重心逐漸從對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)移到對(duì)數(shù)據(jù)按需的實(shí)時(shí)分析和處理。無論是企業(yè)還是個(gè)人消費(fèi)者都對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)無延時(shí)訪問產(chǎn)生了越來越高的要求。很多中小型企業(yè)無法通過自建大型數(shù)據(jù)中心來實(shí)現(xiàn)對(duì)大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的支持。這時(shí)云計(jì)算就成為了滿足這些企業(yè)發(fā)展需求的最有效方法。預(yù)計(jì)未來企業(yè)網(wǎng)市場三分之一到一半的IT預(yù)算將會(huì)用于云服務(wù)。

隨著近年來云計(jì)算需求的高速增長促進(jìn)了大規(guī)?；ヂ?lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心的跳躍式發(fā)展。全球互聯(lián)網(wǎng)巨頭無不將云服務(wù)作為企業(yè)未來的重要戰(zhàn)略發(fā)展方向。無論是亞馬遜的AWS，微軟的Azure還是谷歌Cloud都在全球范圍內(nèi)為建設(shè)超大型數(shù)據(jù)中心而跑馬圈地，以期搶占更多的全球云計(jì)算市場份額。與此同時(shí)，國內(nèi)以BAT（百度，阿里巴巴和騰訊）為代表的互聯(lián)網(wǎng)巨頭們雖然起步稍晚，但也都意識(shí)到云計(jì)算對(duì)整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)未來發(fā)展的重要性并紛紛加大投入。其中一些不但在國內(nèi)持續(xù)加大數(shù)據(jù)中心的建設(shè)力度，在近幾年來還開始嘗試在海外建設(shè)數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)全球性的業(yè)務(wù)發(fā)展。

圖1　傳統(tǒng)三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)比脊葉（Spine-leaf）兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與脊葉兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的對(duì)比

相較于傳統(tǒng)企業(yè)數(shù)據(jù)中心基于本地?cái)?shù)據(jù)的架構(gòu)，用于支持云計(jì)算的大型互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)流量大大增加。這些數(shù)據(jù)中心的用戶數(shù)量龐大需求多樣化、碎片化，并且希望獲得無延時(shí)的用戶體驗(yàn)。例如，大量用戶在短時(shí)間內(nèi)對(duì)在線音樂，視頻，游戲以及網(wǎng)絡(luò)購物等的突發(fā)性大流量需求，都需要互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心具有更高的帶寬和更加有效的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

目前，主流的三層樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都是基于縱向（南北向）傳輸模式。例如一臺(tái)服務(wù)器需要與不在同一網(wǎng)段上的服務(wù)器進(jìn)行通信時(shí)，必須通過接入層-匯聚層-核心層-匯聚層-接入層的路徑。這種方式在面對(duì)像需要成千上萬服務(wù)器相互通信的云計(jì)算這樣的大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時(shí)，就不是一種有效的方式，不但系統(tǒng)帶寬會(huì)被大量消耗，還會(huì)造成不可預(yù)計(jì)的延時(shí)，從而形成網(wǎng)絡(luò)阻塞。因此近年來全球大型互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心越來越多地采用更加便于橫向數(shù)據(jù)傳輸（東西向）的脊葉兩層 (Spine-leaf)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（如圖1所示）。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要由脊交換層和葉交換層兩部分組成。其最大的特點(diǎn)就是每一個(gè)葉交換節(jié)點(diǎn)都與每一個(gè)脊交換節(jié)點(diǎn)相連，從而大大提高了不同服務(wù)器間的通信效率，降低了延時(shí)。此外，采用脊葉兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以不必采購價(jià)格昂貴的核心層交換設(shè)備，并且可以更便于根據(jù)業(yè)務(wù)的需要逐漸增加交換機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行擴(kuò)容，有效節(jié)省初期投資。

表1　網(wǎng)格模塊產(chǎn)品描述

圖2　網(wǎng)格模塊在布線系統(tǒng)中的三種典型應(yīng)用

圖3　10G應(yīng)用的脊葉兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

如何應(yīng)對(duì)脊葉兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在MDA中的布線挑戰(zhàn)

數(shù)據(jù)中心經(jīng)理們在部署脊葉兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)中心時(shí)，也遇到了一些新的問題。因?yàn)槊恳粋€(gè)葉交換節(jié)點(diǎn)和脊交換節(jié)點(diǎn)都要相連，如何處理大量的布線需求就成為了一個(gè)主要的挑戰(zhàn)。為此康寧光通信推出了網(wǎng)格全交叉互聯(lián)模塊（如表1所示）來解決這一棘手的問題。

現(xiàn)在很多用戶已經(jīng)開始使用高密度40G交換機(jī)板卡來實(shí)現(xiàn)高密度10G應(yīng)用。例如，一個(gè)高密度10G SFP+板卡有48 個(gè)10G端口，而一個(gè)高密度40G QSFP+板卡可具有36個(gè)40G端口。這樣在同樣的配線空間和能耗條件下使用40G板卡就可以獲得4x36 = 144個(gè)10G端口，從而降低了10G單端口的成本和能耗。圖2顯示了網(wǎng)格模塊在布線系統(tǒng)中的三種典型應(yīng)用。ABCD4個(gè)QSFP 40G通道通過網(wǎng)格模塊的輸入端MTP被分支為4×4個(gè)10G通道，再通過模塊內(nèi)部全交叉互聯(lián)映射到網(wǎng)格模塊的MTP輸出端。這樣每一個(gè)網(wǎng)格模塊MTP輸出端都具有ABCD 4個(gè)QSFP收發(fā)器中任意一個(gè)的10G通道；從而實(shí)現(xiàn)與一個(gè)輸出端相連的4個(gè)SFP收發(fā)器均對(duì)應(yīng)4個(gè)不同的QSFP端口中的一個(gè)10G通道，實(shí)現(xiàn)了脊交換機(jī)和葉交換機(jī)的全交叉互聯(lián)。

下面讓我們通過一個(gè)例子來看看如何通過使用網(wǎng)格模塊來優(yōu)化脊葉兩層網(wǎng)絡(luò)在主配線區(qū)MDA(Main Distribution Area)中的布線結(jié)構(gòu)。例如，我們使用具有48個(gè)10G SFP+端口板卡的葉交換機(jī)和具有4 ×36個(gè)40G QSFP+端口板卡的脊交換機(jī)。如果葉交換機(jī)的收斂比為3:1，則每個(gè)葉交換機(jī)的16個(gè)10G上行端口需要分別與16個(gè)脊交換機(jī)相連。將脊交換機(jī)的40G端口作為4 個(gè)10G端口使用，則每個(gè)脊交換機(jī)需要連接4×36×4=576個(gè)葉交換機(jī)如圖3所示。

如果使用傳統(tǒng)布線方式，要實(shí)現(xiàn)脊交換機(jī)和葉交換機(jī)的全交叉互聯(lián)，需要在MDA中通過MTP-LC模塊將每個(gè)脊交換機(jī)的40G QSFP+端口分支為4×10G端口，再通過跳線交叉互聯(lián)到與葉交換機(jī)10G SFP+端口相連的相同數(shù)量的MTP-LC模塊（如圖4左圖所示）。這種傳統(tǒng)方式因布線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本相對(duì)較高，MDA占用空間大等缺點(diǎn)并未獲得廣泛應(yīng)用。在這種應(yīng)用場景中，使用網(wǎng)格模塊就可以很好地解決這些問題。如圖4右圖所示，通過在MDA中使用網(wǎng)格模塊，我們可以無需將脊交換機(jī)的40G端口使用MTP-LC模塊分支為10G端口，就能實(shí)現(xiàn)與葉交換機(jī)的全交叉互聯(lián)，從而大大優(yōu)化MDA的布線結(jié)構(gòu)并可為用戶帶來如表2所示的很多價(jià)值。

圖4　脊葉兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)MDA全交叉互聯(lián)布線結(jié)構(gòu)對(duì)比

表2　網(wǎng)格模塊在MDA布線中的優(yōu)勢

總結(jié)

隨著用戶對(duì)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)帶寬需求的逐年提高，數(shù)據(jù)中心主干網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)逐漸由10G向40G演進(jìn)，今后還將會(huì)升級(jí)到100G。這樣使用40G分支為4×10G以及將來由100G分支為4×25G的脊葉，兩層網(wǎng)絡(luò)將成為支持大型數(shù)據(jù)中心既經(jīng)濟(jì)又高效的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此使用網(wǎng)格模塊來實(shí)現(xiàn)脊葉兩層網(wǎng)絡(luò)全交叉互聯(lián)的布線結(jié)構(gòu)，不但可以支持目前的40G網(wǎng)絡(luò)，還可以讓用戶的布線系統(tǒng)平滑地升級(jí)到未來的100G網(wǎng)絡(luò)，有效地解決用戶對(duì)未來系統(tǒng)升級(jí)的困擾。