云計算環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化策略研究

馬國勝

隨著IT應(yīng)用架構(gòu)云化和集中運維管理模式的推進，集中部署的云應(yīng)用系統(tǒng)日漸增加，筆者所在單位計算機網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量進一步加大，對現(xiàn)有計算機網(wǎng)絡(luò)的性能、可靠性提出更高的需求。本文通過分析現(xiàn)在計算機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)流量情況，并結(jié)合IT應(yīng)用架構(gòu)云化和集中運維管理對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)提出的新需求，對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化策略。

一、現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

（一）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本情況

如圖1所示，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是經(jīng)典的星形結(jié)構(gòu)拓撲，分為省級節(jié)點、市級節(jié)點、縣級節(jié)點3類節(jié)點，在物理結(jié)構(gòu)上，省級節(jié)點是功能最強的中心節(jié)點，市級節(jié)點、縣級節(jié)點是平等的子節(jié)點，在邏輯結(jié)構(gòu)上，根據(jù)地域管轄原則，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的分成3級管理，省級節(jié)點管理所有節(jié)點，市級節(jié)點負責(zé)管理本身和域內(nèi)縣級節(jié)點。整個網(wǎng)絡(luò)建設(shè)采用線路冗余的方式保證可靠性，13個市級節(jié)點，省市級節(jié)點之間鏈路分別使用2條50M廣域網(wǎng)線路互連，共26條；75個縣級節(jié)點，省縣級節(jié)點之間鏈路分別使用2條20M廣域網(wǎng)線路互連，共150條。

（二）網(wǎng)絡(luò)流量分析

據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)流量主要是由市級和縣級節(jié)點訪問部署在全國節(jié)點、省級節(jié)點和市級節(jié)點的應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)生，分為資金賬戶類、語音視頻類、辦公業(yè)務(wù)類、安全管理類等4類，典型的業(yè)務(wù)系統(tǒng)和應(yīng)用模式如下。

資金賬戶類：全國集中和省級集中部署的ACS、TCBS、財務(wù)系統(tǒng)等。

語音視頻類：全國集中和省級集中部署的視頻會議、保衛(wèi)監(jiān)控、遠程培訓(xùn)等，市級節(jié)點有自行組織會議、實時視頻監(jiān)控的需求，遠程培訓(xùn)系統(tǒng)在市級節(jié)點部署內(nèi)容分發(fā)子系統(tǒng)（CDN），用于本市節(jié)點和域內(nèi)縣級節(jié)點訪問。

辦公業(yè)務(wù)類：全國集中和市級集中部署的郵箱系統(tǒng)、公文系統(tǒng)、內(nèi)容發(fā)布系統(tǒng)、即時通信軟件等，市級節(jié)點部署公文系統(tǒng)、內(nèi)容發(fā)布系統(tǒng)供市級節(jié)點和域內(nèi)縣級節(jié)點使用。

安全管理類：省級集中部署網(wǎng)絡(luò)入侵檢測、終端安全管理、安全漏洞掃描等，市級節(jié)點有分級檢測、掃描和管理的需求。

通過在市級節(jié)點上使用網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測工具，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)備端口及鏈路的高峰流量，統(tǒng)計得到圖1中地市1的網(wǎng)絡(luò)流量樣本，具體數(shù)據(jù)見表1。

說明：①表中基于擁有4個縣級節(jié)點的地市1的高峰值數(shù)據(jù)統(tǒng)計；②表中“省—市”的數(shù)據(jù)不包含經(jīng)省級節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的域內(nèi)縣級節(jié)點流量；③表中“市—縣”的數(shù)據(jù)為1個縣級節(jié)點與市級節(jié)點的流量值。

根據(jù)表1，可以發(fā)現(xiàn)地市1中的網(wǎng)絡(luò)流量有幾個特征：

市級節(jié)點相互之間、縣級節(jié)點相互之間的幾乎沒有業(yè)務(wù)流量。

市級節(jié)點與省級節(jié)點的總業(yè)務(wù)流量比較大，占互連鏈路總寬帶的15.3%。

保衛(wèi)監(jiān)控和遠程培訓(xùn)實時視頻的業(yè)務(wù)流量高達15.8M，市級節(jié)點調(diào)用域內(nèi)縣級節(jié)點監(jiān)控視頻、縣級節(jié)點調(diào)有緩存在市級節(jié)點的課件視頻等情形，需要經(jīng)省級節(jié)點回傳數(shù)據(jù)，造成雙邊互邊鏈路有大量業(yè)務(wù)流量。

市級節(jié)點與域內(nèi)縣級節(jié)點的總業(yè)務(wù)流量占互連鏈路總寬帶的8%，是省級節(jié)點與縣級節(jié)點流量的69.66%。

二、云化轉(zhuǎn)型中的新需求

以地市1節(jié)點為例，部署服務(wù)器云、桌面云、存儲云、重要IT基礎(chǔ)設(shè)施云監(jiān)控平臺和安全保衛(wèi)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，供市級節(jié)點和域內(nèi)4個縣級節(jié)點使用。上述云應(yīng)用平臺的推廣過程中，計算機網(wǎng)絡(luò)需要應(yīng)對新的需求。

（一）需要有效解決網(wǎng)絡(luò)擁塞問題

地市1范圍內(nèi)所有節(jié)點的日常辦公全部基于云終端，每個縣級節(jié)點云終端以較好用戶體驗度運行，需要實時100K網(wǎng)絡(luò)帶寬支持。按每個縣級節(jié)點部署30個云終端計算，市級節(jié)點與單個縣級節(jié)點之間用于支持云終端運行的流量為3M，加上兩節(jié)點之間原來固有的業(yè)務(wù)流量，流量之和達到8.51M；4個縣級節(jié)點經(jīng)省級節(jié)點回傳至市級節(jié)點業(yè)務(wù)流量總和達到34.04M，占用省市互連鏈路帶寬的34%，加上原有省市之間的業(yè)務(wù)流量，省市互連鏈路上的業(yè)務(wù)流量會達到49.34M，使省市互連鏈路中的單條線路基本處于飽和狀態(tài)。線路飽和運行，容易引發(fā)網(wǎng)絡(luò)擁塞，造成市級節(jié)點上的其他業(yè)務(wù)無法正常運行。擁有較多域內(nèi)縣級節(jié)點的市級節(jié)點，如果按相同的模式部署和應(yīng)用相同的云應(yīng)用，可能會形成嚴重的網(wǎng)絡(luò)擁塞問題，甚至造成該市級節(jié)點計算機網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

另外，隨著安全保衛(wèi)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在各市縣級節(jié)點逐步推廣，實時視頻類的業(yè)務(wù)流量在急劇增長，也會引起省市互連鏈路飽和，造成市級節(jié)點網(wǎng)絡(luò)擁塞問題。

（二）需要考慮極端情形下的可靠性

云應(yīng)用采用的是資源高度集中的模式，后端高性能服務(wù)器提供云計算資源，前端云終端通過計算機網(wǎng)絡(luò)訪問資源，因此云應(yīng)用高度依賴網(wǎng)絡(luò)的可靠性。在市級節(jié)點部署云應(yīng)用，市級節(jié)點中自有云終端的訪問通過高效的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)支持，而域內(nèi)縣級節(jié)點的約束條件則不同，需要具備極高可靠性的外部計算機網(wǎng)絡(luò)支持。如果發(fā)生極端情況，使網(wǎng)絡(luò)中的省級節(jié)點失效、省市縣三級節(jié)點分別互連的鏈路失效，本來不受影響的市縣級節(jié)點，也將受到波及，基于云終端進行基本辦公的縣級節(jié)點會無法運轉(zhuǎn)。

另外，云應(yīng)用需要占用的網(wǎng)絡(luò)帶寬比較高，在省市級節(jié)點之間互連鏈路中存在1條線路不正常，僅有1條50M線路正常的情況下，雖然網(wǎng)絡(luò)冗余機制生效，但市級節(jié)點如果發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞，同樣會使域內(nèi)縣級節(jié)點處在癱瘓的臨界點。

三、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略

（一）增加互連鏈路

針對云化造成市縣節(jié)點之間業(yè)務(wù)流量有較大增長的情況，可以按圖2所示，在不改變原有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在市級節(jié)點和域內(nèi)每個縣級節(jié)點之間增加一條20M的線路，用于承載市縣節(jié)點之間的流量?？h級節(jié)點訪問市級節(jié)點云資源，市級節(jié)點調(diào)看域內(nèi)縣級節(jié)點監(jiān)控視頻等業(yè)務(wù)流量，直接由這條增加的鏈路承載，不再經(jīng)過省級節(jié)點回傳，從而減輕省市級節(jié)點鏈路的壓力，為今后IT架構(gòu)轉(zhuǎn)型或管理運維模式進一步集中至省級節(jié)點預(yù)留充足的網(wǎng)絡(luò)帶寬空間。

（二）流量本地化

在增加市縣節(jié)點專用鏈路的基礎(chǔ)上，配置相應(yīng)的路由策略，將市縣之間的業(yè)務(wù)流量由專用鏈路承載，使市縣2個節(jié)點之間的業(yè)務(wù)流量在域內(nèi)實現(xiàn)本地化。通過對圖2所示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓撲中的鏈路賦權(quán)，并使用建模工具進行分析，獲得地市1中業(yè)務(wù)流量網(wǎng)絡(luò)路由開銷數(shù)據(jù)（見表2），并根據(jù)最短路徑的方法，配置相應(yīng)的策略處理網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)流量。

省市之間的流量，優(yōu)先路徑為省市鏈路，可以選擇由縣級節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)。

省縣之間的流量，優(yōu)先路徑為省縣鏈路，可以選擇由市級節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)。

市縣之間的流量，域內(nèi)情況下，優(yōu)先路徑為市縣鏈路，可以選擇省級節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)，域外情況下，優(yōu)先路徑為經(jīng)省級節(jié)點和省縣鏈路轉(zhuǎn)發(fā)，可以選擇由所屬市級節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)。

市市之間的流量，優(yōu)先路徑為省級節(jié)點和省地鏈路轉(zhuǎn)發(fā)，可以選擇縣級節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)。

縣縣之間的流量，相同地域情況下，優(yōu)先路徑為經(jīng)上級市級節(jié)點和市縣鏈路轉(zhuǎn)發(fā)，可以選擇省節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)；不同地域情況下，優(yōu)先路徑為經(jīng)省級節(jié)點和省縣鏈路轉(zhuǎn)發(fā)，可以選擇兩個所屬上級地節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)。

（三）構(gòu)建“花瓣”拓撲

可以按日常專用、應(yīng)急備用的方式進一步對網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，將省—市—縣三級節(jié)點構(gòu)建成閉環(huán)拓樸，在正常情況下，云應(yīng)用業(yè)務(wù)流量按鏈路專用的方式選擇路由，在緊急情況下，市縣級節(jié)點的專用鏈路可以做為省市級節(jié)點、省縣級節(jié)點之間互聯(lián)鏈路的備用鏈路，承載更為緊急的核心業(yè)務(wù)流量。從圖3可以看到，閉環(huán)拓樸中，任何一個節(jié)點或一組鏈路失效的情況下，任意兩個節(jié)點都可以相互正常通信，從而業(yè)務(wù)連續(xù)性有了更高級別的保障。在全網(wǎng)13個市級節(jié)點分別與域內(nèi)的縣級節(jié)點完成專有鏈路互連后，整個網(wǎng)絡(luò)會演化成一個以省級節(jié)點為中心的“花瓣”式拓撲的結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中任何兩個業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)程度較高的節(jié)點都會有1個閉環(huán)機制保護，整個網(wǎng)絡(luò)的可靠性會得到數(shù)量級提升。

（四）應(yīng)用5G切片技術(shù)組建專網(wǎng)

從現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來看，市縣級節(jié)點的專用鏈路可以選用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)在用的SDH、MSTP等成熟的有線組網(wǎng)技術(shù)，還可以借鑒4G無線專網(wǎng)技術(shù)在公安、電力等領(lǐng)域的應(yīng)用，使用5G無線和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完成專網(wǎng)組網(wǎng)。使用5G切片技術(shù)實現(xiàn)專用鏈路，可以作為現(xiàn)在有線線路組網(wǎng)的補充，避免目前有線互連線路經(jīng)常性發(fā)生人為故障的不足，能實現(xiàn)高帶寬、低延時網(wǎng)絡(luò)通信，使整個網(wǎng)絡(luò)的鍵壯性得到提高。

作者單位：中國人民銀行益陽市中心支行