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1、淺談數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡架構(gòu)的發(fā)展
一、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡架構(gòu)
數(shù)據(jù)中心前端計算網(wǎng)絡主要由大量的二層接入設備及少量的三層設備組成，傳統(tǒng)上是標準的三層結(jié)構(gòu)（如圖1所示）：
圖1傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡三層架構(gòu)
傳統(tǒng)的網(wǎng)絡模型在很長一段時間內(nèi)，支撐了各種類型的數(shù)據(jù)中心，但隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展以及企業(yè)IT信息化水平的提高，新的應用類型及數(shù)量急劇增長。隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的不斷膨脹，以及虛擬化、云計算等新技術的不斷發(fā)展，僅僅使用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡技術越來越無法適應業(yè)務發(fā)展的需要。在互聯(lián)網(wǎng)領域，這一點表現(xiàn)的尤為明顯。
二、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的新變化
截至2013年12月，中國網(wǎng)民規(guī)模達6.18億，全年共計新
2、增網(wǎng)民5358萬人，互聯(lián)網(wǎng)普及率為45.8%。大量網(wǎng)民的涌入必然帶來網(wǎng)絡流量的急劇膨脹。對于互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，承載具體應用的數(shù)據(jù)中心的計算資源及網(wǎng)絡節(jié)點常常滿負荷運轉(zhuǎn)；而對于傳統(tǒng)企業(yè)，隨著自身業(yè)務量的增加，以及各類業(yè)務互聯(lián)網(wǎng)化的需求，對數(shù)據(jù)中心的整體的吞吐量也提出了新的要求。
服務器萬兆網(wǎng)絡接入漸成主流
受成本、以及技術成熟度制約，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心以千兆接入為主。隨著CPU計算能力的不斷提高，目前主流的服務器處理性能，已經(jīng)超出了千兆網(wǎng)卡的輸出能力。同時，F(xiàn)C存儲網(wǎng)絡與IP網(wǎng)絡的融合，也要求IP網(wǎng)絡的接入速率達到FC的性能要求。當僅僅通過鏈路聚合、增加等價路徑等技術手段已經(jīng)無法滿足業(yè)務對網(wǎng)絡性
3、能的需求時，提高網(wǎng)絡端口速率成為必然之選。
萬兆以太網(wǎng)從起步到目前逐漸成為應用主流，延續(xù)了以太網(wǎng)技術發(fā)展的主基調(diào)，憑借其技術優(yōu)勢，替代其他網(wǎng)絡接入技術，成為高性能網(wǎng)絡的不二選擇。目前新的數(shù)據(jù)中心，萬兆網(wǎng)絡接入已成為事實上的標準。
數(shù)據(jù)中心流量模型發(fā)生顯著變化
傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心內(nèi)，服務器主要用于對外提供業(yè)務訪問，不同的業(yè)務通過安全分區(qū)及VLAN隔離。一個分區(qū)通常集中了該業(yè)務所需的計算、網(wǎng)絡及存儲資源，不同的分區(qū)之間或者禁止互訪，或者經(jīng)由核心交換通過三層網(wǎng)絡交互，數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡流量大部分集中于南北向。
在這種設計下，不同分區(qū)間計算資源無法共享，資源利用率低下的問題越來越突出。
4、通過虛擬化技術、云計算管理技術等，將各個分區(qū)間的資源進行池化，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心內(nèi)資源的有效利用。而隨著這些新技術的興起和應用，新的業(yè)務需求如虛擬機遷移、數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)備份、協(xié)同計算等在數(shù)據(jù)中心內(nèi)開始實現(xiàn)部署，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部東西向流量開始大幅度增加。
物理二層向邏輯二層轉(zhuǎn)變
在虛擬化初期，虛擬機管理及遷移主要依靠物理的網(wǎng)絡，由于遷移本身要求二層網(wǎng)絡，因此數(shù)據(jù)中心內(nèi)部東西向流量主要是二層流量。為增加二層物理網(wǎng)絡的規(guī)模，并提高鏈路利用率，出現(xiàn)了TRILL、SPB等大二層網(wǎng)絡技術。
隨著虛擬化數(shù)據(jù)中心規(guī)模的擴大，以及云化管理的深入，物理網(wǎng)絡的種種限制越來越不適應虛擬化的要求，由此提出了VX
5、LAN、NVGRE等網(wǎng)絡Overlay方案，在這一方案下，物理網(wǎng)絡中的東西向流量類型也逐漸由二層向三層轉(zhuǎn)變，通過增加封裝，將網(wǎng)絡拓撲由物理二層變?yōu)檫壿嫸?，同時提供邏輯二層的劃分管理，更好的滿足了多租戶的需求。
VXLAN、NVGRE等Overlay技術都是通過將MAC封裝在IP之上，實現(xiàn)對物理網(wǎng)絡的屏蔽，解決了物理網(wǎng)絡VLAN數(shù)量限制、接入交換機MAC表項有限等問題。同時通過提供統(tǒng)一的邏輯網(wǎng)絡管理工具，方便的實現(xiàn)了虛擬機HA遷移時網(wǎng)絡策略跟隨的問題，大大降低了虛擬化對網(wǎng)絡的依賴，成為了目前網(wǎng)絡虛擬化的主要發(fā)展方向。
越來越多的網(wǎng)絡扁平化需求
隨著虛擬化技術的進步，每臺物理服
6、務器的虛擬機數(shù)量由8臺提升至16臺、32臺甚至更多，這使得低延遲的服務器間通信和更高的雙向帶寬需求變得更加迫切。然而傳統(tǒng)的網(wǎng)絡核心、匯聚和接入的三層結(jié)構(gòu)，服務器虛擬化后還有一個虛擬交換機層，而隨著刀片服務器的廣泛應用，刀片式交換機也給網(wǎng)絡添加了一層交換。如此之多的網(wǎng)絡層次，使得數(shù)據(jù)中心計算節(jié)點間通信延時大幅增加，這就需要網(wǎng)絡化架構(gòu)向扁平化方向發(fā)展，最終的目標是在任意兩點之間盡量減少網(wǎng)絡架構(gòu)的數(shù)目。
伴隨著業(yè)務訪問量的增長，所需的服務器數(shù)量也需要持續(xù)增長。比如國內(nèi)騰訊、百度、阿里三家互聯(lián)網(wǎng)公司，為滿足用戶訪問，平均每兩周就有1000臺以上服務器上線。這樣的上線速度和數(shù)量，對整個數(shù)據(jù)中心的自
7、動化運維提出了極高的要求，基礎的網(wǎng)絡同樣需要適應這種需求。
網(wǎng)絡扁平化后（如圖2所示），減少了中間層次，對核心設備交換能力要求降低，對于數(shù)據(jù)中心而言，后續(xù)擴容只需要以標準的機柜（包含服務器及柜頂交換單元）為單位增加即可，這樣既滿足了數(shù)據(jù)中心收斂比的要求，又能滿足服務器快速上線需要。扁平化成為互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)網(wǎng)絡設計不斷追求的目標。
圖2騰訊數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡采用的二層扁平結(jié)構(gòu)
數(shù)據(jù)中心的這些變化，對網(wǎng)絡提出了更高的要求。Fabric物理網(wǎng)絡架構(gòu)成為解決上述難題的一個重要手段。Fabric英文原意為"織物、布、結(jié)構(gòu)、建筑物、構(gòu)造"，"Fabric網(wǎng)絡架構(gòu)"則因其內(nèi)部縱橫互聯(lián)類似紡織
8、結(jié)構(gòu)而得名。簡單的說，就是通過骨干網(wǎng)絡節(jié)點間分層互聯(lián)（或全互聯(lián)）的方式，提供所有接入網(wǎng)絡的各類節(jié)點間的無差異互訪。
在Fabric架構(gòu)下（如圖3所示），所有節(jié)點可以全互聯(lián)，也可以分層互聯(lián)。分層結(jié)構(gòu)下，節(jié)點類型分為骨干節(jié)點（Spine）和葉子節(jié)點（Leaf），骨干節(jié)點與葉子節(jié)點間全連接，骨干節(jié)點僅用作轉(zhuǎn)發(fā)，葉子節(jié)點作為二三層的邊界。在這種架構(gòu)下，網(wǎng)絡全互聯(lián)形成的大量等價路徑既保證了鏈路的冗余可靠，又提高了整個Fabric網(wǎng)絡的吞吐量；扁平的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)保證了任意節(jié)點間較高的連接速率，同時對任意類型流量均擁有極低的時延。
圖3Fabric網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)
Fabric架構(gòu)給數(shù)據(jù)中心網(wǎng)
9、絡部署帶來以下好處：
可以大幅降低服務器萬兆接入的建設成本。當前100GE設備及布線成本都十分高昂，服務器采用10GE接入后，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，匯聚及核心層設備必須具備100GE的轉(zhuǎn)發(fā)能力才能保證盡量低的收斂比。在新的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)下，骨干節(jié)點只做交換，網(wǎng)關直接部署在葉子節(jié)點，F(xiàn)abric內(nèi)部采用40GE速率即可滿足萬兆接入需求，大幅降低了網(wǎng)絡建設成本。
可以支持更大的數(shù)據(jù)中心。由于這種結(jié)構(gòu)的扁平化特點，在較低的收斂比下，可以通過簡單的增加接入設備，方便的接入幾千個計算節(jié)點，通過Fabric間互聯(lián)，可以很容易的增加至上萬個計算節(jié)點，滿足了現(xiàn)代大型數(shù)據(jù)中心規(guī)模建設的需求。
可以滿足云計算的
10、網(wǎng)絡需要。云計算將計算資源做成了一個資源池，而Fabric結(jié)構(gòu)將網(wǎng)絡做成了一個大的資源池。這種結(jié)構(gòu)不再區(qū)分南北流量和東西流量，使得計算節(jié)點與任意方向通信均無阻塞；對服務器的接入位置沒有要求，無論采用VLAN、VXLAN、NVGRE等何種技術，任意節(jié)點間可以實現(xiàn)高速、低時延的互聯(lián)，大幅提高了整網(wǎng)性能。
但是，F(xiàn)abric架構(gòu)并非完美。葉子節(jié)點網(wǎng)絡設備無論是性能要求還是功能要求，均高于傳統(tǒng)架構(gòu)下的接入設備，其作為各種類型的網(wǎng)關（二三層間、VLAN/VXLAN間、VXLAN/NVGRE間、FC/IP間等等），芯片處理能力要求較高，目前尚無滿足所有協(xié)議間互通的商用芯片；由于不存在相關的標準，為了
11、實現(xiàn)各種類型網(wǎng)絡的接入，其骨干節(jié)點與葉子節(jié)點間的轉(zhuǎn)發(fā)各個廠商均采用了私有封裝，這也為將來的互通設置了難題。
Fabric網(wǎng)絡架構(gòu)這一全新的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡架構(gòu)（現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡架構(gòu)），在規(guī)模、性能和簡單性方面實現(xiàn)質(zhì)的飛躍，同時還降低了建設成本，獲得了更大的敏捷性和效率，雖然各個廠商在實現(xiàn)這一架構(gòu)時存在一些自己私有的處理，但目前的確已成為未來數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡架構(gòu)的一個公認的發(fā)展方向。
三、未來彈性、自適應的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡
我們同樣看到，物理網(wǎng)絡架構(gòu)改變后一些問題仍然存在，僅僅依靠對傳統(tǒng)技術的修修補補已經(jīng)無法滿足未來數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的需求。
數(shù)據(jù)中心規(guī)模越來越大，給運維管理帶來壓力?，F(xiàn)代（特
12、別是大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)）的數(shù)據(jù)中心，規(guī)模越來越大（如騰訊天津濱海數(shù)據(jù)中心，一期規(guī)模8萬臺服務器，規(guī)劃規(guī)模達到20萬臺），所需要的網(wǎng)絡設備數(shù)量相當驚人。除了各個層次大量的交換機外，可能還需要部署防火墻、防攻擊設備、負載均衡、流量清洗等等網(wǎng)絡安全設備，設備類型也會越來越豐富。同時，這些網(wǎng)絡設備來自不同的廠家，擁有不一樣的操作方式。這些對運維人員的能力提出了更高的要求。
版本更新、業(yè)務變更越來越困難。網(wǎng)絡需要變更以適應用戶業(yè)務發(fā)展的需要，同時設備廠家會根據(jù)需要不定期發(fā)布軟件修正版本。但當數(shù)據(jù)中心發(fā)展到一定規(guī)模后，無論是業(yè)務變更還是版本更新，都變得非常困難，這既有設備規(guī)模過大帶來的巨大工作量的問題，
13、也有如何保證業(yè)務連續(xù)不中斷的考慮。
精確的流量控制越來越難。當前流量控制主要是基于ACL及QoS，通過識別特定的流量、對其應用特定的策略，來實現(xiàn)對業(yè)務流量的管控。由于流量策略都是基于管理員對流量運行的假設，在各個設備預先配置來實現(xiàn)，且策略類型較少，而實際網(wǎng)絡上業(yè)務流量瞬息萬變，預先設置的策略往往不能很好的匹配，無法實現(xiàn)復雜的管理控制邏輯，使得QoS實施效果不佳。
歸結(jié)以上問題，實際上是網(wǎng)絡缺乏統(tǒng)一的"大腦"。一直以來，網(wǎng)絡的工作方式是：網(wǎng)絡節(jié)點之間通過各種交互機制，獨立的學習整個網(wǎng)絡拓撲，自行決定與其他節(jié)點的交互方式；當流量過來時，根據(jù)節(jié)點間交互做出的決策，獨立的轉(zhuǎn)發(fā)相應報文；當網(wǎng)
14、絡中節(jié)點發(fā)生變化時，其他節(jié)點感知變化重新計算路徑。網(wǎng)絡設備的這種分散決策的特點，在此前很長一段時間內(nèi)滿足了互聯(lián)互通的需要，但由于這種分散決策機制缺少全局掌控，在需要流量精細化控制管理的今天，表現(xiàn)出越來越多的問題。
經(jīng)過多年的發(fā)展，SDN為解決這些難題提供了可行的解決方案（如圖4所示）。它通過集中的控制器來實現(xiàn)對整網(wǎng)設備的監(jiān)控和管理，利用軟件的靈活、動態(tài)可擴展，提供豐富的管理控制策略，通過開放相關API，可以集成第三方APP，實現(xiàn)更多的個性化的網(wǎng)絡控制。
圖4ONF典型SDN控制器架構(gòu)
SDN網(wǎng)絡是一種全新的網(wǎng)絡。在這樣的網(wǎng)絡中，控制器就是大腦，它掌控全局，學習整網(wǎng)的拓撲，
15、管理網(wǎng)絡中的各個節(jié)點。網(wǎng)絡中的其他節(jié)點，只需要向"大腦"上報網(wǎng)絡變化，并按照"大腦"的指揮，完成自己的工作即可。隨著網(wǎng)絡的規(guī)模的增加，網(wǎng)絡中"大腦"的數(shù)量、功能也隨之增加。比如，每臺控制器所管理的節(jié)點數(shù)量有限，可以組成控制器集群管理整個網(wǎng)絡；有的控制器控制流量轉(zhuǎn)發(fā)，有的控制器控制安全策略，還有的控制器控制虛擬網(wǎng)絡的管理等等。
SDN的發(fā)展也同樣存在相當?shù)牟淮_定性。傳統(tǒng)的南向接口OpenFlow會越來越復雜，現(xiàn)有網(wǎng)絡設備無法簡單升級支持；同時滿足大流表的需求將大幅提高芯片成本；控制器發(fā)展不統(tǒng)一，各個廠家都在爭奪自己在未來SDN網(wǎng)絡的話語權(quán)，標準化進程緩慢，各種私有的協(xié)議加入將導致未來網(wǎng)絡成為少數(shù)玩家的地盤。但我們同樣相信，無論具體實現(xiàn)形式如何，SDN這種集中管控、靈活動態(tài)的網(wǎng)絡部署必將成為未來的發(fā)展趨勢。
四、結(jié)束語
我們很快就會看到，新的數(shù)據(jù)中心采用云計算技術對所有虛擬計算資源集中管理，F(xiàn)abric架構(gòu)的網(wǎng)絡無縫實現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心各個區(qū)域的互聯(lián)，基于Overlay的二層網(wǎng)絡實現(xiàn)了虛擬機的流暢遷移，集中化的SDN網(wǎng)絡控制器提供對數(shù)據(jù)中心整網(wǎng)的監(jiān)控，各種流量根據(jù)數(shù)據(jù)中心當前網(wǎng)絡狀況實時切換經(jīng)由路徑，偌大的數(shù)據(jù)中心內(nèi)，寥寥數(shù)人便完成了全部的運維管理。我們相信，這就是將來的數(shù)據(jù)中心的工作情景。
淺談數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡架構(gòu)的發(fā)展【Fabic含義】
