數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究

萬海濤

摘要：該文分析了數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別，提出了適用于數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，研究了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的技術(shù)特點(diǎn)，并分析各類型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膬?yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)行了綜合對比。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?；性?/p>

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）21-0043-03

1 概述

隨著華東空管局管理水平的提升和信息化應(yīng)用不斷深入，對信息系統(tǒng)建設(shè)提出了更高的要求。目前應(yīng)用系統(tǒng)基本上都是各自規(guī)劃、分散建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的，形成了一個(gè)個(gè)封閉的“孤島”，不利于統(tǒng)一管理和運(yùn)維，更不利于信息共享和交互，而且也極大地影響了總體投資效益。為此，華東空管局從實(shí)際情況出發(fā)，著手建設(shè)華東空管局?jǐn)?shù)據(jù)中心。相同情況出現(xiàn)在總局空管局、西南空管局、西北空管局等地，為了降低管理難度及運(yùn)營開銷，增強(qiáng)信息共享，多個(gè)空管單位都提出了數(shù)據(jù)中心的建設(shè)需求。

數(shù)據(jù)中心已成為空管IT建設(shè)的重點(diǎn)項(xiàng)目，因此在空管大舉建設(shè)數(shù)據(jù)中心時(shí)，研究數(shù)據(jù)中心相關(guān)技術(shù)，合理規(guī)劃數(shù)據(jù)中心建設(shè)，將具有積極意義。

2 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)需求

由于數(shù)據(jù)中心匯聚了大量業(yè)務(wù)，因此對數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)提出了更高的需求，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的性能將直接影響數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的效果。較之傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)對以下幾個(gè)方面的要求更高：

1） 網(wǎng)絡(luò)可拓展性

隨著數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)增長，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模將不斷擴(kuò)大，因此要求網(wǎng)絡(luò)能容納較多地路由器和交換機(jī)，且拓展方便，設(shè)備的添加不能影響現(xiàn)有服務(wù)性能。

2） 網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)性

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟蟊ＷC不同節(jié)點(diǎn)之間有多條并行的路徑，減少鏈路單點(diǎn)故障，使網(wǎng)絡(luò)具有較好的容錯(cuò)性能，保證服務(wù)質(zhì)量。

3） 網(wǎng)絡(luò)帶寬

數(shù)據(jù)中心由于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸量巨大，所以要求網(wǎng)絡(luò)具有很高的對分帶寬，滿足業(yè)務(wù)的高吞吐傳輸需求；另外，當(dāng)有大量突發(fā)業(yè)務(wù)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)需要自動(dòng)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)分流。

4） 設(shè)備開銷

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)規(guī)模龐大，因此，構(gòu)建數(shù)據(jù)中心需充分考慮成本問題。

5）管理復(fù)雜度

數(shù)據(jù)中心設(shè)備眾多，業(yè)務(wù)集中，因此數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)應(yīng)便于管理及維護(hù)，減少人為操作風(fēng)險(xiǎn)。

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對網(wǎng)絡(luò)性能具有決定作用，本文研究了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的技術(shù)特點(diǎn)，并分析各類型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膬?yōu)缺點(diǎn)。

3 數(shù)據(jù)中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

目前，關(guān)于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究主要分為兩類： 以網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為中心的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和以服務(wù)器為中心的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在以網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為中心的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)流量路由和轉(zhuǎn)發(fā)全部是由交換機(jī)或路由器完成的。在服務(wù)器為中心的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，采用遞歸方式構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，服?wù)器不僅是計(jì)算單元，還是路由節(jié)點(diǎn)，因此會(huì)主動(dòng)參與分組轉(zhuǎn)發(fā)。

目前，數(shù)據(jù)中心以網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為中心的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有：樹型拓?fù)?、胖樹拓?fù)洹L2拓?fù)涞?；以服?wù)器為中心的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有DCell拓?fù)?、FiCoon拓?fù)洹cube拓?fù)涞?。本文將選取幾種主流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行研究：

1） 樹型拓?fù)?/p>

樹型拓?fù)涫禽^早用于構(gòu)建數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，該拓?fù)涫且环N多根樹形結(jié)構(gòu)，屬于以網(wǎng)絡(luò)為中心的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)分為核心層、匯接層、接入層三層，網(wǎng)絡(luò)底層采用商用交換設(shè)備與服務(wù)器相連，網(wǎng)絡(luò)高層則是采用高性能、高速率、高容量的交換設(shè)備。

2） 胖樹拓?fù)?/p>

胖樹拓?fù)涫菍湫谓Y(jié)構(gòu)的一種典型改進(jìn)，在胖樹結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淙耘f分為三個(gè)層次，即核心層、匯接層、接入層。但與樹型結(jié)構(gòu)不同的是，胖樹結(jié)構(gòu)規(guī)定了一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)可以擁有多個(gè)父節(jié)點(diǎn)，因此增加了上下層交換機(jī)之間以及匯聚層交換機(jī)與核心交換機(jī)之間的鏈路數(shù)量。另外，匯聚層和接入層的交換機(jī)被分為若干個(gè)不同的域，每個(gè)域中的不同層交換機(jī)設(shè)備之間可以實(shí)現(xiàn)全連接。胖樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用兩張路由表進(jìn)行兩級路由，每臺交換機(jī)具有固定的編碼規(guī)則。

3） VL2拓?fù)?/p>

VL2拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是微軟研究人員于2009年提出的，VL2利用虛擬技術(shù)對匯聚層進(jìn)行虛擬化，來提供系統(tǒng)的拓展性。在對匯聚層進(jìn)行虛擬化之后，所有的服務(wù)器將會(huì)類似存在于一個(gè)局域網(wǎng)一樣，會(huì)大大提高網(wǎng)絡(luò)的性能以及服務(wù)的效率。從物理上劃分，整個(gè)VL2拓?fù)浞譃槿龑?，最底層連接服務(wù)器的交換機(jī)稱為ToR Switch （機(jī)架頂端交換機(jī)）。機(jī)架頂端交換機(jī)通過不同的上行鏈路連接到Aggregate Switch （匯聚交換機(jī)）。匯聚交換機(jī)再通過上行鏈路與每一個(gè)Intermediate Switch （中介交換機(jī)）相連。但從邏輯上劃分，整個(gè)VL2拓?fù)浞譃閮蓪?，其中第一層由機(jī)架頂端交換機(jī)及與其相連的服務(wù)器構(gòu)成一個(gè)服務(wù)器集群，第二層由匯聚交換機(jī)和中介交換機(jī)構(gòu)成一個(gè)交換網(wǎng)絡(luò)。

4） DCell拓?fù)?/p>

DCell拓?fù)涫且环N以服務(wù)器為中心的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在DCell結(jié)構(gòu)中，服務(wù)器與交換機(jī)一樣具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。DCell拓?fù)渫ㄟ^低端口小交換機(jī)與多端口服務(wù)器以遞歸方式構(gòu)建大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。在DCell拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，存在兩種鏈路連接方式，即服務(wù)器與服務(wù)器相連，交換機(jī)與服務(wù)器相連，不存在交換機(jī)之間互連的情況。DCell0是構(gòu)建DCell拓?fù)涞幕締卧總€(gè)單元作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，充當(dāng)下一層結(jié)構(gòu)的基本單元，這就保證了每一層的連接都是一個(gè)完整圖。k代表DCell拓?fù)涞膶訑?shù)，n代表DCell0中交換機(jī)的接口數(shù)量，很小的k和n就可容納很多的服務(wù)器，從而保證網(wǎng)絡(luò)的高度可拓展性要求。

5） FiConn拓?fù)?/p>

FiConn拓?fù)湟彩怯晌④浫藛T提出的，在FiConn結(jié)構(gòu)中，交換設(shè)備與服務(wù)器都具有轉(zhuǎn)發(fā)能力，也是一種以服務(wù)器為中心的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代的商用服務(wù)器設(shè)備中一般具有兩個(gè)以太網(wǎng)端口，一個(gè)用于網(wǎng)絡(luò)連接，另一個(gè)作為備用端口。FiConn拓?fù)錁?gòu)建的核心是利用備用服務(wù)器端口實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連，在保證網(wǎng)絡(luò)性能良好的情況下，取消大規(guī)模高性能的交換設(shè)備，從而節(jié)約互連成本。FiConn采用遞歸方式，高層次的FiConn結(jié)構(gòu)由低層次的FiConn結(jié)構(gòu)構(gòu)建。低層次的FiConn使用一半的可用備用端口實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，形成mesh結(jié)構(gòu)。隨著FiConn結(jié)構(gòu)的層數(shù)的增加，F(xiàn)iConn結(jié)構(gòu)中服務(wù)器數(shù)目隨著呈指數(shù)增長，可以保證網(wǎng)絡(luò)的高度可拓展性。

3.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中硬件安全的考慮

硬件安全是所有計(jì)算機(jī)設(shè)備都應(yīng)該考慮的問題，但是從軟件系統(tǒng)層面來說無法預(yù)防，因此需要遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際操作人員注重電磁干擾、設(shè)備保護(hù)等問題，防止數(shù)據(jù)損毀與丟失。

3.2 信息傳輸過程中的安全問題

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)需要大量的信息傳輸以保證其正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在信息傳輸?shù)倪^程中一定要做好安全方面的有關(guān)措施，大部分安全問題也是從這個(gè)環(huán)節(jié)滲透進(jìn)去的。保障數(shù)據(jù)的安全傳輸，需要采取良好的數(shù)據(jù)加密技術(shù)。

數(shù)據(jù)加密技術(shù)即使用各種各樣的加密方法對數(shù)據(jù)加密傳輸，在客戶端以及服務(wù)器端的編碼解碼模塊之外獨(dú)立地進(jìn)行密碼模塊的編譯。一般常用的數(shù)據(jù)加密算法都有自己獨(dú)特的密鑰，這個(gè)密鑰要在服務(wù)器端和客戶端之內(nèi)具有同步性，而在其之外則要具有唯一性，而且一個(gè)相同的密鑰不能使用連續(xù)超過一段時(shí)間，要根據(jù)使用狀況和當(dāng)時(shí)的實(shí)際情況進(jìn)行密鑰的更換。

另外還要注重總體安全體系在軟件構(gòu)建過程中的地位，一般來說一個(gè)完整的安全體系有四個(gè)不同的部分：實(shí)體安全部分、網(wǎng)絡(luò)安全部分、管理安全部分和應(yīng)用安全部分，其中應(yīng)用安全以及網(wǎng)絡(luò)安全是安全工作的重點(diǎn)，要在防火墻構(gòu)筑的過程中對限制訪問、安全漏洞排查、實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)控和數(shù)據(jù)備份恢復(fù)等功能作為安全體系的重點(diǎn)功能進(jìn)行研發(fā)。

4 結(jié)語

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)需要的計(jì)算機(jī)軟件支持需要兼顧便捷性和安全性的特征，因此在軟件的研發(fā)階段要從底層架構(gòu)的決定開始對軟件研發(fā)進(jìn)行控制，從而對整體的計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)層級的優(yōu)化方案設(shè)計(jì)。

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