數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)云化的演進(jìn)趨勢

王少鵬 中國信息通信研究院云計算與大數(shù)據(jù)研究所助理工程師

郭 亮 中國信息通信研究院云計算與大數(shù)據(jù)研究所高級工程師

1 引言

近年來，依托于云計算相關(guān)理論與技術(shù)，數(shù)據(jù)中心各方面技術(shù)取得了快速的進(jìn)展。數(shù)據(jù)中心三大核心資源中，隨著計算云化與存儲云化的應(yīng)用，計算和存儲已經(jīng)能實現(xiàn)按需動態(tài)分配，這極大地提升了數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的利用率。而網(wǎng)絡(luò)方面更看重穩(wěn)定性，目前諸多業(yè)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)、高校、企業(yè)等聚焦于網(wǎng)絡(luò)的按需調(diào)用、動態(tài)分配、高效管理等方面進(jìn)行研究和開發(fā)，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)逐漸向云化發(fā)展。

2 現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)分析

2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞矫妫瑐鹘y(tǒng)數(shù)據(jù)中心一般采用如圖1所示樹型拓?fù)浞桨?，包括接入層、匯聚層、核心層。

圖1 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

接入層將計算節(jié)點接入網(wǎng)絡(luò)，在數(shù)據(jù)中心常常使用TOR交換機(jī)。匯聚層實現(xiàn)接入層之間的互聯(lián)，網(wǎng)絡(luò)防火墻、負(fù)載均衡等一般部署于匯聚層。核心層用于匯聚層的互聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心與外部網(wǎng)絡(luò)之間的通信。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錆M足了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心對于網(wǎng)絡(luò)的需求，其不足之處主要有：匯聚層、核心層交換機(jī)易形成網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)钠款i；發(fā)生單點故障后，對服務(wù)器影響范圍較大。隨著數(shù)據(jù)中心的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模逐漸變大，對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅芤笞兏?，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟呀?jīng)不能很好地滿足上述要求。

近年來，為了適應(yīng)數(shù)據(jù)中心的新需求，諸多新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔惶岢?，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)正由傳統(tǒng)的樹形結(jié)構(gòu)向胖樹形結(jié)構(gòu)或非樹形結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行改進(jìn)，比較具有代表性的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆?Fat-tree、Portland、VL2、Cellrfi、BCube等。以Fat-tree網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇槔?，匯聚層和接入層形成集群，分別有1/2的交換機(jī)作為匯聚層的交換機(jī)和接入層的交換機(jī)，并且匯聚層與接入層所有交換機(jī)均采用全

連接的方式進(jìn)行連接（見圖2）。Fat-tree網(wǎng)絡(luò)中采用了多路徑路由技術(shù)，保證了服務(wù)器之間的通信。相比于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)at-tree網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從葉節(jié)點到根部并沒有收斂，因此可以較好地支持無阻塞網(wǎng)絡(luò)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

目前，數(shù)據(jù)中心在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中仍然高度依賴于高端交換機(jī)，從而導(dǎo)致建設(shè)、運維成本較高，擴(kuò)展難度大等問題。同時，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與服務(wù)器之間連接都是固定的，設(shè)備之間物理連接完成之后進(jìn)行相應(yīng)的配置，只能按照相關(guān)的連接和配置進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，不能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量的變化進(jìn)行動態(tài)的調(diào)整。

圖2 Fat Tree網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

白盒交換機(jī)逐漸成為一個趨勢。2017年開放數(shù)據(jù)中心峰會上，百度展出了其自研的100G盒式和框式的白盒交換機(jī)，吸引了眾多眼球。相關(guān)設(shè)備廠商也開始向白盒交換機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)型，紛紛發(fā)布相關(guān)產(chǎn)品。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)也在進(jìn)行一場革命。開放數(shù)據(jù)中心委員會倡導(dǎo)的“鳳凰項目”作為網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的一種顛覆性解決方案，依托SONiC開源社區(qū)，將BaseOS、SAI、平臺驅(qū)動等共同打包制作成可直接加載運行在白盒交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)OS映像文件，實現(xiàn)操作系統(tǒng)的定制化。

網(wǎng)絡(luò)之間的架構(gòu)也在向SDN方向演進(jìn)，例如中國移動自主研發(fā)的SDN-O、SDN控制器、硬件/軟件交換機(jī)等，通過標(biāo)準(zhǔn)接口對接廠家成熟產(chǎn)品，以期構(gòu)建數(shù)據(jù)中心內(nèi)高性能、高可靠、開放的網(wǎng)絡(luò)。中國電信以SDN/NFV為抓手，以網(wǎng)元云化部署、網(wǎng)絡(luò)DC化改造等為切入點，推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的縱向解耦、橫向打通。

業(yè)界希望通過白盒交換機(jī)+開源OS的方式，借助SDN網(wǎng)絡(luò)的部署，解決部署和運維過程中的很多現(xiàn)實問題，解決網(wǎng)絡(luò)傳輸中的吞吐和時延等問題，以期達(dá)到網(wǎng)絡(luò)性價比的最大化。

3 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的新場景

隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)面臨著許多新的場景，這些新的場景是數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新的動力，也為數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提出要求、明確目標(biāo)。新場景主要包括人工智能的應(yīng)用場景、虛擬化場景等。

3.1 人工智能

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等應(yīng)用的逐步落地，數(shù)據(jù)中心面對新場景，將迎來更大的挑戰(zhàn)。人工智能和大數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的巨大數(shù)據(jù)量和運算量對于數(shù)據(jù)中心的IT架構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施承載能力提出了更高的要求。為滿足業(yè)務(wù)快速發(fā)展的要求，為業(yè)務(wù)提供穩(wěn)定的IT基礎(chǔ)設(shè)施支撐，必須對數(shù)據(jù)中心各項技術(shù)不斷進(jìn)行創(chuàng)新和發(fā)展。

網(wǎng)絡(luò)方面所面臨的問題主要集中于兩點，一方面數(shù)據(jù)中心存儲數(shù)據(jù)量較大，網(wǎng)絡(luò)性能將極大地影響數(shù)據(jù)的存取速度；另一方面，大數(shù)據(jù)下實時處理業(yè)務(wù)的需求不斷增加，保證實時業(yè)務(wù)處理過程中，數(shù)據(jù)高效的傳輸至關(guān)重要。大量的存儲與計算，使得數(shù)據(jù)中心內(nèi)部流量占比逐漸超過數(shù)據(jù)中心與外界進(jìn)行交互的流量占比，東西流量占比持續(xù)快速增長。在網(wǎng)絡(luò)方面，為了保證東西流量的快速傳輸，要求網(wǎng)絡(luò)高帶寬、低時延、少丟包。

目前，針對上述問題，包括網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、傳輸協(xié)議等許多新技術(shù)被提出。

3.2 虛擬化

數(shù)據(jù)中心的虛擬化包括計算虛擬化、存儲虛擬化和網(wǎng)絡(luò)虛擬化3個主要方面。

網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)中心的虛擬化的場景中，既要關(guān)注于計算虛擬化、存儲虛擬化對網(wǎng)絡(luò)的新要求，又要關(guān)注網(wǎng)絡(luò)本身的虛擬化需求。計算虛擬化和存儲虛擬化等服務(wù)器虛擬化方面對網(wǎng)絡(luò)影響較大，服務(wù)器虛擬化后，由于模糊了物理和虛擬、網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器等邊界，對網(wǎng)絡(luò)的帶寬、交換能力、安全隔離等各個方面都提出了更大的要求，在網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性、交換性能與擴(kuò)展性、網(wǎng)絡(luò)安全與管理、虛擬機(jī)在物理機(jī)上的無縫遷移等方面產(chǎn)生了具體的挑戰(zhàn)。因此，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展過程中，必須考慮服務(wù)器虛擬化對于網(wǎng)絡(luò)的要求和影響，這樣才能更好地發(fā)揮基礎(chǔ)設(shè)施的性能。

在網(wǎng)絡(luò)自身虛擬化方面，網(wǎng)卡虛擬化、硬件設(shè)備虛擬化等技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬化方面進(jìn)行發(fā)展；鏈路聚合、隧道協(xié)議等技術(shù)在鏈路虛擬化方面取得了一定的突破；同時，近年來軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Define Network，SDN）技術(shù)不斷成熟和發(fā)展，成為研究的重點，其應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)虛擬化方面之后，極大地擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)虛擬化的邊界。

4 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的新需求

4.1 網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)適應(yīng)大規(guī)模部署的需求

隨著云計算的快速發(fā)展，目前政府、企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)不斷將業(yè)務(wù)遷移部署到云端，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模越來越大。面對超大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心，網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)在設(shè)計的時候需要考慮，包括可擴(kuò)展性、網(wǎng)絡(luò)帶寬、點對點多通信鏈路等在內(nèi)的諸多因素。這些挑戰(zhàn)共同促進(jìn)了數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的研究發(fā)展。例如，以交換機(jī)為轉(zhuǎn)發(fā)中心的設(shè)計和以服務(wù)器為轉(zhuǎn)發(fā)中心的設(shè)計從轉(zhuǎn)發(fā)中心的不同對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行劃分，這兩方面都在不斷地發(fā)展和創(chuàng)新之中，取得了很多研究成果。

4.2 東西流量激增下，高性能網(wǎng)絡(luò)的需求

云計算、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，讓數(shù)據(jù)處理量激增，而傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)大多集中于應(yīng)對南北流量下，系統(tǒng)所產(chǎn)生的各種問題。面對數(shù)據(jù)中心內(nèi)部東西流量的快速增長，如何保證數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中更快、更高效的傳輸，成為解決數(shù)據(jù)中心在網(wǎng)絡(luò)方面的瓶頸，進(jìn)而提高數(shù)據(jù)中心性能的關(guān)鍵所在。該問題的核心是如何提高數(shù)據(jù)中心內(nèi)部數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸效率。

相關(guān)廠商通常采用提高網(wǎng)絡(luò)的帶寬和性能的方式應(yīng)對該問題。以該問題的具體解決方案——無損網(wǎng)絡(luò)為例，其在擁塞控制、流量控制、分組轉(zhuǎn)發(fā)、路由選擇等方面進(jìn)行了改進(jìn)與創(chuàng)新，使得網(wǎng)絡(luò)可以自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)發(fā)速度，降低時延、減少丟包。目前，百度、京東、騰訊、電信、移動、華為、邁絡(luò)思等公司均針對網(wǎng)絡(luò)云化趨勢下基于以太的無損網(wǎng)絡(luò)展開了研究，取得了一定的成果。

4.3 網(wǎng)絡(luò)資源按需分配、高效利用的需求

對數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的高效利用，一直以來都是云計算的一個研究重點。利用虛擬化技術(shù)，對基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行資源池化，按需調(diào)用資源是提高基礎(chǔ)設(shè)施利用率的重要方式。目前，計算虛擬化技術(shù)、存儲虛擬化技術(shù)已經(jīng)取得較大的突破，實現(xiàn)了對計算和存儲資源的池化，極大地提高了數(shù)據(jù)中心相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的利用率。

網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)相對發(fā)展較慢，但數(shù)據(jù)中心在發(fā)展中對網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)有切實的要求。網(wǎng)絡(luò)虛擬化的對象包括服務(wù)器、路由器、交換機(jī)、鏈路等方面，采用虛擬化方案后，數(shù)據(jù)中心可以提高網(wǎng)絡(luò)資源利用效率、簡化引用部署、降低網(wǎng)絡(luò)故障影響區(qū)域等。根據(jù)共享網(wǎng)絡(luò)、計算虛擬化、存儲虛擬化等方面的特點，在安全、隔離、調(diào)度等方面進(jìn)行創(chuàng)新，才能更進(jìn)一步發(fā)展網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)計復(fù)用。作為近年來研究的熱點之一，SDN通過轉(zhuǎn)發(fā)層與控制層的分離，來實現(xiàn)統(tǒng)一的資源調(diào)度。

4.4 低成本、高擴(kuò)展的需求

數(shù)據(jù)中心的規(guī)模變大之后，網(wǎng)絡(luò)方面需要較好的擴(kuò)展性、較低的成本。在擴(kuò)展性方面，除了考慮網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計等方面的因素，還需要考慮設(shè)備的通用性。在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，盡量使用通用性設(shè)備，減少專用性設(shè)備的使用，有利于網(wǎng)絡(luò)未來的擴(kuò)展；在成本控制方面，也應(yīng)該盡量減少使用較貴的專用設(shè)備，而采取較便宜的通用性設(shè)備。因此，目前數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)在研究和建設(shè)中，大多采用通用型的設(shè)備，以降低成本，同時滿足未來的擴(kuò)展。

4.5 支持虛擬機(jī)動態(tài)遷移的需求

虛擬機(jī)遷移后，快速實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的部署是數(shù)據(jù)中心對網(wǎng)絡(luò)的要求。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該自動感知虛擬機(jī)的變化，并進(jìn)行相應(yīng)的配置。為了實現(xiàn)對虛擬機(jī)動態(tài)遷移的需求，“大二層”網(wǎng)絡(luò)、隧道技術(shù)等被提出。這些技術(shù)可以實現(xiàn)虛擬機(jī)動態(tài)遷移的需求，同時仍在不斷地創(chuàng)新和改進(jìn)中。

5 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化工作

在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)研究與建設(shè)方面，還需要進(jìn)一步加快技術(shù)研發(fā)，促進(jìn)應(yīng)用落地，引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。因此，在企業(yè)對技術(shù)進(jìn)行研發(fā)的同時，需要行業(yè)進(jìn)行技術(shù)交流、研發(fā)立項、標(biāo)準(zhǔn)制定、應(yīng)用場景說明、準(zhǔn)入測試等方面的工作。

目前，中國信息通信研究院、中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（CCSA）、開放數(shù)據(jù)中心委員會（ODCC）等相關(guān)單位和組織高度關(guān)注數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)方面的發(fā)展，積極推動數(shù)據(jù)中心相關(guān)研究內(nèi)容的立項，邀請相關(guān)單位共同研究、探討技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用場景、測試規(guī)范等內(nèi)容。并積極與國際標(biāo)準(zhǔn)化組織進(jìn)行交流，促進(jìn)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)制定、測試規(guī)范等工作與國際接軌。

CCSA的TC1已經(jīng)對數(shù)據(jù)中心場景的無損網(wǎng)絡(luò)總體技術(shù)要求和測試規(guī)范做了初步立項，ODCC也在積極推動數(shù)據(jù)中心無損網(wǎng)絡(luò)方面的規(guī)范制定等方面的相關(guān)工作，得到了包括中國電信、中國移動、百度、華為和Mellanox在內(nèi)的主流用戶和廠商的大力支持。

2018年3月，IEEE發(fā)布了由百度、中國移動、中國電信、中國信息通信研究院、華為等單位共同撰寫的白皮書《Lossless Networks for Data Center Report》。中國信息通信研究院云計算與大數(shù)據(jù)研究所李潔博士認(rèn)為，無損網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)制定、技術(shù)研究、應(yīng)用測試非常有意義，后續(xù)中國信息通信研究院將從標(biāo)準(zhǔn)、測試、應(yīng)用、行業(yè)等各個方面全力推動包括無損網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的數(shù)據(jù)中心新技術(shù)的發(fā)展。

6 結(jié)束語

以云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能為代表的新技術(shù)不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)中心作為IT基礎(chǔ)設(shè)施也越來越受到關(guān)注。網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)中心的重要組成部分，面對不斷發(fā)展、變化中的數(shù)據(jù)中心，需要不斷地進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)，才能更好地適應(yīng)數(shù)據(jù)中心的需求，提供更好的服務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)云化是數(shù)據(jù)中心本階段網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢，更好地理清數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)方面的應(yīng)用場景與需求，明確數(shù)據(jù)中心技術(shù)的發(fā)展方向，是推動技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、測試規(guī)范等內(nèi)容制定的前提。數(shù)據(jù)中心是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的重要依托與創(chuàng)新平臺，相信更多網(wǎng)絡(luò)方面的新技術(shù)和新產(chǎn)品將通過數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生，并應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心。