數(shù)據(jù)中心在云計(jì)算需求下的技術(shù)分析

王 杰 趙 超

中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)安徽有限公司 安徽 淮南 232000

1 數(shù)據(jù)中心在云計(jì)算需求下的新特性

1.1 虛擬化與自由遷移

云計(jì)算出現(xiàn)前,物理服務(wù)器“雙單一”特征非常明顯,即單一租戶和單一業(yè)務(wù),當(dāng)應(yīng)用需求還未呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)時(shí),這樣的應(yīng)用與服務(wù)模式是能夠被接受的。但隨著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的不斷擴(kuò)張,數(shù)據(jù)中心規(guī)模也越來越龐大,以無限增加物理服務(wù)器的方式來滿足應(yīng)用需求顯然是不合適的,單臺(tái)服務(wù)利用率無法獲得提升。云計(jì)算的出現(xiàn)很好解決了這一問題,在虛擬化技術(shù)支持下,原來的物理服務(wù)器會(huì)被虛擬成若干臺(tái)服務(wù)器,提高了資源利用率和服務(wù)器使用率,有限的物理服務(wù)器數(shù)量即可滿足應(yīng)用需求。以四核CPU服務(wù)器為例,虛擬化技術(shù)可將一臺(tái)四核CPU服務(wù)器虛擬成四臺(tái)服務(wù)器,即每個(gè)CPU被虛擬成一臺(tái)虛擬機(jī),而對(duì)于那些資源消耗有效的應(yīng)用來說,根據(jù)具體使用需求,可將一個(gè)CPU虛擬成兩臺(tái)、四臺(tái),甚至更多臺(tái)虛擬機(jī)。

虛擬化技術(shù)在實(shí)現(xiàn)資源利用率提升的同時(shí),也使服務(wù)器自由遷移變?yōu)榭赡堋Ｔ趥鹘y(tǒng)數(shù)據(jù)中心建設(shè)和應(yīng)用中,服務(wù)器遷移事件極少發(fā)生,因?yàn)闀?huì)動(dòng)用非常多的資源,且會(huì)影響IDC業(yè)務(wù)正常運(yùn)行。在虛擬化環(huán)境下,服務(wù)器遷移并不會(huì)發(fā)生在物理空間上,而是在虛擬空間上來實(shí)現(xiàn),且在漸進(jìn)式內(nèi)存復(fù)制等技術(shù)方法的支持下,數(shù)據(jù)保存會(huì)變得更容易,任務(wù)完成難度也更低,更為重要的是,IDC業(yè)務(wù)并不是因此而受到影響。

1.2 多租戶的實(shí)現(xiàn)

在非云計(jì)算環(huán)境下,企業(yè)若要更好完成業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)任務(wù),實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)目標(biāo),滿足自身發(fā)展需要,一般會(huì)向運(yùn)營(yíng)商租用網(wǎng)絡(luò)硬件基礎(chǔ)設(shè)施,特別是對(duì)于那些大型企業(yè)和跨地區(qū)企業(yè)。這樣,企業(yè)就相當(dāng)于擁有了一個(gè)屬于自己的數(shù)據(jù)中心,必要時(shí),也可進(jìn)行運(yùn)維托管。云計(jì)算環(huán)境下則不同,企業(yè)并不需要直接向運(yùn)營(yíng)商租用網(wǎng)絡(luò)硬件基礎(chǔ)設(shè)施,而是直接租用網(wǎng)絡(luò)資源,包括計(jì)算和存儲(chǔ),相比之下,這樣的租用模式并不需要單獨(dú)進(jìn)行運(yùn)維,更不需要建立運(yùn)維數(shù)據(jù)中心。而對(duì)于運(yùn)營(yíng)商來說,云計(jì)算環(huán)境下的數(shù)據(jù)中心會(huì)更為復(fù)雜,體量也更大,多租戶特征也被更充分體現(xiàn)出來。

1.3 網(wǎng)絡(luò)無阻塞

網(wǎng)絡(luò)無阻塞的實(shí)現(xiàn)主要依靠于“胖樹結(jié)構(gòu)”應(yīng)用?！芭謽浣Y(jié)構(gòu)”是在原有樹形結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上提出的,它不算是新技術(shù)或新思路,只是對(duì)原有應(yīng)用的一種變形。樹形網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)原理并不影響云計(jì)算應(yīng)用,但二者在根本性需求上卻存在沖突。眾所周知,云計(jì)算數(shù)據(jù)中心形成后,數(shù)據(jù)信息吞吐量較之前比有了很大提升,其內(nèi)部資源節(jié)點(diǎn)數(shù)量也隨需求的增加而明顯增多,若依然以傳統(tǒng)“南北向”流量模型為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行應(yīng)用,網(wǎng)絡(luò)阻塞問題一定會(huì)更為嚴(yán)重,因此,有“南北向”流量模式向“東西向”流量模式轉(zhuǎn)變便成為必然。區(qū)別在于,“南北向”流量模式是一種用戶訪問服務(wù)器的流量模式,點(diǎn)到點(diǎn)特征較明顯;而“東西向”流量模式是一種由服務(wù)器到服務(wù)器的流量模式,具有面到面特征。

胖樹結(jié)構(gòu)解決了樹形結(jié)構(gòu)的“通信瓶頸”問題,隨著根節(jié)點(diǎn)附近帶寬逐漸增加,網(wǎng)絡(luò)阻塞現(xiàn)象也不會(huì)再發(fā)生。需要指出的是,由胖樹結(jié)構(gòu)所支持的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò),需要將全部核心交換機(jī),以及網(wǎng)絡(luò)邊緣交換機(jī)進(jìn)行互聯(lián),且保證核心交換機(jī)與每一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)邊緣交換機(jī)間有且僅有一條鏈路,這樣做的目的在于,能夠更好平衡數(shù)據(jù)流量,以此來降低網(wǎng)絡(luò)阻塞發(fā)生概率。

2 云計(jì)算需求下的網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)

2.1 虛擬感知

虛擬環(huán)境下的數(shù)據(jù)通信,其原理與物理環(huán)境下的數(shù)據(jù)通信原理相類似,只是當(dāng)在完成虛擬機(jī)與物理機(jī)通信時(shí),需要將虛擬機(jī)與網(wǎng)絡(luò)端口進(jìn)行關(guān)聯(lián)。從數(shù)據(jù)交換的角度看,物理空間下的數(shù)據(jù)交換需要由物理機(jī)提供支持,而虛擬空間下數(shù)據(jù)交換則需要由虛擬機(jī)提供支持。但由于所處空間不同,虛擬交換機(jī)是無法直接被其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備所感知的,更加無法被網(wǎng)絡(luò)管理員直接管理,在這種情況下,通信流量監(jiān)管與端口策略等功能便無法實(shí)現(xiàn)。為更好解決“不感知”問題,IEEE 802.1Qbg Edge Virtual Bridging（以下簡(jiǎn)稱EVB）定義了關(guān)于虛擬機(jī)網(wǎng)絡(luò)接入的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),如圖1。

圖1 EVB架構(gòu)圖

結(jié)合EVB架構(gòu)圖可知,一臺(tái)虛擬機(jī)包含多個(gè)VSI接口,虛擬機(jī)間可自由通信,也可通過中繼ER（邊界）和橋接LAN上的其他虛擬機(jī)進(jìn)行通信。一般情況下,同一臺(tái)物理服務(wù)器中的多臺(tái)虛擬機(jī)之間可進(jìn)行直接通信,這一通信方式被稱為虛擬邊緣橋接,即VEB。顯然,這樣的通信方式是無法滿足不同物理服務(wù)器中虛擬機(jī)間通信需求的。VEPA（虛擬以太端口匯聚）通信方式的制定解決了這一問題,在VEPA支持下,虛擬機(jī)間的流量交換行為將不再局限于某一臺(tái)物理服務(wù)器內(nèi),而是允許發(fā)生在上聯(lián)交換機(jī)上。事實(shí)上,即便是同一物理服務(wù)器中的兩臺(tái)或多臺(tái)虛擬機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,交換數(shù)據(jù)依然會(huì)被首先送往上聯(lián)交換機(jī),然后再由上聯(lián)交換分配回另一臺(tái)或幾臺(tái)虛擬機(jī)上。上聯(lián)交換機(jī)會(huì)根據(jù)虛擬機(jī)的MAC地址來進(jìn)行尋址,確保數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)準(zhǔn)確。相比VEB,VEPA在實(shí)現(xiàn)不同物理服務(wù)器虛擬機(jī)間數(shù)據(jù)傳輸方面發(fā)揮了更好作用,但如果僅僅是完成同一物理服務(wù)器內(nèi)不同虛擬機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸,這樣的通信方式顯然不是最佳選擇,因此,EVB標(biāo)準(zhǔn)定義多通道技術(shù),即VEB和VEPA被允許同時(shí)存在于一臺(tái)物理服務(wù)器中,且各自有獨(dú)立的通道,這樣便為流量管理和網(wǎng)絡(luò)配置提供了便利。

2.2 租戶Overlay網(wǎng)絡(luò)

作為一項(xiàng)新概念,“租戶Overlay網(wǎng)絡(luò)”主要是為了實(shí)現(xiàn)云計(jì)算數(shù)據(jù)中心大量租戶支持而被提出的。Overlay網(wǎng)絡(luò)位于IP層之上,其封裝格式較特殊,且格式并不固定,有VXLAN格式,也會(huì)有NVGRE格式,但都會(huì)通過報(bào)頭信息來對(duì)租戶進(jìn)行識(shí)別,映射加封裝的核心思想特征十分明顯。

結(jié)合圖2,VM1租戶在將數(shù)據(jù)發(fā)送出去后,邊緣交換機(jī)S1首先會(huì)收到數(shù)據(jù)信息,但它并不會(huì)立刻將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去,而是將數(shù)據(jù)報(bào)文中的目的地址映射為S2（VM2直連邊緣交換機(jī)）的地址,而非實(shí)際地址VM2,之后對(duì)原始報(bào)文進(jìn)行封裝。當(dāng)邊緣交換機(jī)S2接收到數(shù)據(jù)報(bào)文后,會(huì)進(jìn)行解封,然后根據(jù)原始報(bào)文信息將數(shù)據(jù)傳遞給VM2。

圖2 租戶Overlay網(wǎng)絡(luò)

在整個(gè)過程中,封裝格式與映射管理是兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),封裝格式前面已做過介紹,映射管理一般有兩種類型,一是自發(fā)學(xué)習(xí),二是通過控制命令。不同類型對(duì)應(yīng)著不同數(shù)據(jù)中心規(guī)模,對(duì)于中小型數(shù)據(jù)中心來說,自發(fā)學(xué)習(xí)類型更適用,整個(gè)過程與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系的二層學(xué)習(xí)較類似,應(yīng)用起來也比較簡(jiǎn)單。相比之下,通過控制命令具有更好擴(kuò)展性,一般大型數(shù)據(jù)中心應(yīng)用較多。

2.3 大規(guī)模二層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心中,生成樹協(xié)議（STP）在防止二層網(wǎng)絡(luò)環(huán)路方面發(fā)揮了很好作用,但在云計(jì)算環(huán)境下,該協(xié)議缺點(diǎn)被更多暴露出來,比如:

（1）以避免環(huán)路發(fā)生為目的所作出的特定端口阻塞行為,將嚴(yán)重降低鏈路使用效率;

（2）無法實(shí)現(xiàn)等價(jià)多路徑轉(zhuǎn)發(fā);

（3）網(wǎng)絡(luò)收斂速度慢。

為彌補(bǔ)生成樹協(xié)議缺陷,支持大規(guī)模二層網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議被提出,其中最常見的協(xié)議是多鏈路透明互聯(lián)協(xié)議（TRILL）和最短路徑橋接協(xié)議（SPB）,該兩項(xiàng)協(xié)議均借鑒了三層路由設(shè)計(jì)思想,成功將二層技術(shù)優(yōu)點(diǎn)與三層技術(shù)優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行融合,同時(shí)規(guī)避掉了原有缺點(diǎn),同時(shí)以現(xiàn)有IS-IS路由協(xié)議來對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行計(jì)算和維護(hù)。

在TRILL協(xié)議運(yùn)行方面,各支持TRILL協(xié)議運(yùn)行的路由網(wǎng)橋會(huì)以IS-IS鏈路狀態(tài)路由協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?并借助SPF算法完成對(duì)單播數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)最短路徑的計(jì)算。而對(duì)于組播和廣播報(bào)文,以及未知單播來說,會(huì)根據(jù)分發(fā)樹進(jìn)行報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)。在防環(huán)路方面,TRILL協(xié)議規(guī)定了Hop Count字段,報(bào)文被轉(zhuǎn)發(fā)后,每經(jīng)過一個(gè)路由器,該字段數(shù)值就會(huì)在原有基礎(chǔ)上減掉“1”,當(dāng)字段數(shù)值被減為0時(shí),報(bào)文便會(huì)被最后一個(gè)接受的路由網(wǎng)橋所丟棄。當(dāng)進(jìn)行組播轉(zhuǎn)發(fā)時(shí),除了有Hop Count字段做支持外,還需要進(jìn)行反向路徑檢測(cè)。

在SPB協(xié)議方面,SPB協(xié)議主要是連接網(wǎng)橋與網(wǎng)橋,它在連接客戶端與數(shù)據(jù)中心過程中發(fā)揮了重要作用。該協(xié)議主要特點(diǎn)有:

（1）定義了I-SID,并用作區(qū)別多個(gè)不同拓?fù)?其數(shù)據(jù)信息以BVID的形式被封裝在數(shù)據(jù)報(bào)文中,這將有助于解決不同業(yè)務(wù)多拓?fù)滢D(zhuǎn)發(fā)的問題;

（2）所有到達(dá)UNI及其相關(guān)節(jié)點(diǎn)的SPT只用于進(jìn)行單播與組播報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā);

（3）ECT以處理兩個(gè)UNI間存在多條等價(jià)路徑時(shí)負(fù)載均衡轉(zhuǎn)發(fā)。

結(jié)束語:

在云計(jì)算需求下,數(shù)據(jù)中心從多個(gè)方面提供了具有現(xiàn)代化特征的數(shù)據(jù)信息服務(wù),包括協(xié)議與架構(gòu),運(yùn)維與管理,并且在新技術(shù)支持下,應(yīng)用來自不同層面的應(yīng)用需求正不斷被滿足。目前,包括IETF和IEEE在內(nèi)的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組織都在積極研究和制定基于與計(jì)算環(huán)境的數(shù)據(jù)中心應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn),基于當(dāng)前主要應(yīng)用需求,虛擬化和多租戶被更多關(guān)注。另外,采用不同架構(gòu)對(duì)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用目的也有影響,特別是在流量模型不同,以及無法實(shí)現(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)統(tǒng)一的情況下,但需要新技術(shù)來作支持是卻不爭(zhēng)事實(shí),只有不斷研制新技術(shù),才能滿足實(shí)際應(yīng)用需求,使原有架構(gòu)性能得到提升。