淺談云計(jì)算在網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)建中的應(yīng)用

單斌

（軟通動(dòng)力信息技術(shù)(集團(tuán))有限公司，天津 300000）

1 云計(jì)算的原理與特點(diǎn)

云計(jì)算把分布在不同地方、設(shè)備上的海量信息和大量處理器資源融合在一起，組成一個(gè)超級(jí)系統(tǒng)池，通過互相協(xié)同為外部提供各種各樣的服務(wù)，它是基于Internet的超級(jí)化計(jì)算方法和模式，其特點(diǎn)在于通過基于互聯(lián)網(wǎng)的多級(jí)協(xié)同模式，具有比單臺(tái)計(jì)算機(jī)更強(qiáng)、更快的運(yùn)算能力，組成集群的分布式計(jì)算機(jī)并不要求性能很強(qiáng)，但在數(shù)據(jù)處理中心的統(tǒng)一管理下，按客戶的不同需求分配資源，在處理能力上可以起到超級(jí)計(jì)算機(jī)的作用；數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)分配資源、均衡負(fù)載、部署安全控制軟件，由大量計(jì)算機(jī)構(gòu)成的超級(jí)資源池承擔(dān)復(fù)雜、繁重的計(jì)算任務(wù)，能夠滿足各種應(yīng)用對(duì)計(jì)算能力、存儲(chǔ)空間和其他服務(wù)的需求，它通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)中心的各種資源打包后對(duì)外提供服務(wù)。

云計(jì)算的產(chǎn)生主要來自于兩方面的需求：1)隨著計(jì)算機(jī)行業(yè)的發(fā)展，系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)、運(yùn)行維護(hù)技術(shù)分工不斷細(xì)化；2)用戶自有資源的有限性與公共計(jì)算需求的無限性之間不斷擴(kuò)大的矛盾。云計(jì)算的出現(xiàn)和不斷發(fā)展，可以最大限度地利用分布式資源，更迅速、廣泛地交換信息，更準(zhǔn)確地量化和控制成本，云計(jì)算虛擬化地封裝分布在不同計(jì)算機(jī)上的相同規(guī)格的資源，以服務(wù)的形式對(duì)外提供資源，云計(jì)算有自己的特點(diǎn)：1)1：2資源池的形式對(duì)外提供服務(wù)，它以數(shù)據(jù)為中心，以資源池的形式對(duì)外提供服務(wù)，“云”里有大量的服務(wù)和軟件，可為用戶提供各種服務(wù)，數(shù)據(jù)密集性強(qiáng)。可靠性強(qiáng)，從純技術(shù)角度看，在相同計(jì)算環(huán)境下，云計(jì)算采用同構(gòu)節(jié)點(diǎn) (節(jié)點(diǎn)之間可以互換)，可提供多個(gè)數(shù)據(jù)容錯(cuò)副本，它比其他本地計(jì)算的可靠性更強(qiáng)。3)虛擬化技術(shù)。虛擬化是支持云計(jì)算技術(shù)的基礎(chǔ)，它將存儲(chǔ)與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器、客戶機(jī)等底層硬件虛擬化，對(duì)控制和管理平臺(tái)進(jìn)行資源分配和共享，相對(duì)隔離各種需求之間的資源。4)通用性強(qiáng)。云計(jì)算針對(duì)特定企業(yè)或某種具體應(yīng)用，在“云”可伸縮模式下，構(gòu)造許多不同的“服務(wù)”，并在同一時(shí)間，運(yùn)行不同的“應(yīng)用”。5)動(dòng)態(tài)性強(qiáng).云計(jì)算中服務(wù)池盡管是固定的，但分配給“應(yīng)用”的資源量是可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整的，可根據(jù)不同“應(yīng)用”的需要，動(dòng)態(tài)地分配資源，提供軟、硬件服務(wù)。

2 云計(jì)算在網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)建中的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用

2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

從降低成本方面考慮，利用低造價(jià)交換機(jī)及商業(yè)級(jí)服務(wù)器來構(gòu)建數(shù)據(jù)中心可以大大減少成本支出。另外，鑒于現(xiàn)在的PC機(jī)和服務(wù)器都具有至少兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)端口，充分利用這些端口可以大大提高拓?fù)鋬?nèi)節(jié)點(diǎn)的連通性以獲得更大的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，這樣的構(gòu)建方案具有更好的性價(jià)比。

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由同一型號(hào)的可編程交換機(jī)組成，中間的服務(wù)器將網(wǎng)絡(luò)分割成兩個(gè)對(duì)稱的Fat-Tree結(jié)構(gòu)的特殊變體，每個(gè)這樣的Fat-Tree結(jié)構(gòu)包含核心層、匯聚層和接入層3個(gè)層次，使用這樣結(jié)構(gòu)的好處是可以保證每臺(tái)服務(wù)器的任意網(wǎng)絡(luò)端口都可以同時(shí)以網(wǎng)絡(luò)硬件接口所允許的最大帶寬進(jìn)行通信而不受網(wǎng)絡(luò)通信帶寬瓶頸的制約。

網(wǎng)絡(luò)能夠容納的服務(wù)器數(shù)量取決于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)所使用的交換機(jī)的端口數(shù)k，網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)器被分成k組，每組包含 (k/2)2臺(tái)服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)被服務(wù)器分成上下兩個(gè)部分，每部分的接入層和匯聚層對(duì)應(yīng)每組都有k/2臺(tái)交換機(jī)，每個(gè)接入層的交換機(jī)分別連接k/2臺(tái)服務(wù)器，剩下的端口分別連接上層的交換機(jī).核心層有(k/2)2臺(tái)交換機(jī)，每臺(tái)交換機(jī)的第i個(gè)網(wǎng)絡(luò)端口連接到第i組的匯聚層的某臺(tái)交換機(jī)，這樣每個(gè)匯聚層的交換機(jī)都有k/2條鏈路與核心層的各個(gè)交換機(jī)相連接.使用具有幾個(gè)端口的交換機(jī)組建的網(wǎng)絡(luò)可以容納K3/4臺(tái)服務(wù)器，我們提出的這種結(jié)構(gòu)適用于任意端口數(shù)的交換機(jī)，如采用常見的48口交換機(jī)，那么按照本文提出的方法構(gòu)建的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)可以包含27648臺(tái)服務(wù)器，足夠支持企業(yè)構(gòu)建自己的私有云平臺(tái)。

這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建方式有以下4個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1)雖然相較于傳統(tǒng)樹形結(jié)構(gòu)使用了更多的交換機(jī)，但是由于無需在核心層和匯聚層采用造價(jià)昂貴的高端高性能交換機(jī)，因此減少了總體構(gòu)建成本；2)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中任意的兩臺(tái)服務(wù)器之間都存在多條等長度的路徑可供選擇；3)充分利用了服務(wù)器的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)端口，提高了網(wǎng)絡(luò)的連通性和吞吐量；4)在提出的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中不存在像傳統(tǒng)樹形結(jié)構(gòu)中的單點(diǎn)故障，因此容錯(cuò)性得到了加強(qiáng)。

2.2 對(duì)虛擬機(jī)遷移的支持體系

借鑒應(yīng)用于Internet骨干網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)上的網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，并使駐留在主機(jī)上的代理與可編程交換機(jī)的控制軟件實(shí)時(shí)地交換網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)參數(shù)，以達(dá)到動(dòng)態(tài)調(diào)整各虛擬網(wǎng)絡(luò)帶寬的分配及控制管理參數(shù)的目的，這樣的協(xié)同工作機(jī)制使得不同的虛擬網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行不同的網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議成為可能，這將能夠保證運(yùn)行于不同虛擬網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用服務(wù)對(duì)于QoS的個(gè)性化需求。

2.5 層代理的另一個(gè)重要功能就是實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)的迅速遷移，設(shè)計(jì)2.5層代理的映射功能，通過將虛擬地址和實(shí)際地址進(jìn)行一次映射以隔離上層應(yīng)用使用的網(wǎng)絡(luò)地址和底層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交換時(shí)使用的物理地址之間的聯(lián)系.不同的是文獻(xiàn)E83映射的是服務(wù)地址和位置信息地址，我們可將每臺(tái)主機(jī)上駐留的代理為每個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建一個(gè)映射表，用來記錄網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的虛擬機(jī)IP地址與物理主機(jī)MAC地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系.代理之間可以實(shí)時(shí)通信，通過類似路由發(fā)現(xiàn)的分布式通信機(jī)制，周期性更新運(yùn)行于各臺(tái)服務(wù)器上的虛擬主機(jī)與硬件網(wǎng)絡(luò)地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

在某個(gè)服務(wù)器上建立新的虛擬主機(jī)時(shí)，代理會(huì)記錄新的虛擬IP地址與物理主機(jī)MAC地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系并在該虛擬網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行廣播，這樣各個(gè)代理上對(duì)應(yīng)該虛擬網(wǎng)的映射表都將被更新.當(dāng)虛擬機(jī)間通信時(shí)，請(qǐng)求通信的主機(jī)發(fā)送的ARP探測包將直接被代理捕獲，檢索本機(jī)代理上的映射表，如果有匹配項(xiàng)將直接返回對(duì)應(yīng)的MAC地址，如果沒有，代理將負(fù)責(zé)進(jìn)行廣播以獲得正確的MAC地址.當(dāng)出現(xiàn)服務(wù)器故障時(shí)，虛擬主機(jī)遷移到其他服務(wù)器上之后，服務(wù)器上的代理將會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中主動(dòng)廣播遷移后虛擬主機(jī)地址與服務(wù)器端口的對(duì)應(yīng)關(guān)系從而加快虛擬機(jī)遷移后的恢復(fù)時(shí)間。

結(jié)語

在云計(jì)算環(huán)境下，“主機(jī)”與“顯示器”的電線變成了網(wǎng)絡(luò)，把“主機(jī)”變成云服務(wù)提供商的服務(wù)器集群，用戶的使用觀念也會(huì)發(fā)生徹底的變化：從“購買產(chǎn)品”到“購買服務(wù)”轉(zhuǎn)變，因?yàn)樗麄冎苯用鎸?duì)的將不再是復(fù)雜的硬件和軟件，而是最終的服務(wù)。云計(jì)算的服務(wù)共享模式體現(xiàn)了以人為本和集約高效的發(fā)展理念，為信息技術(shù)更好的服務(wù)于人的生產(chǎn)生活提供了新的途徑.盡管這一模式的運(yùn)作還在不斷的成熟之中，但是其發(fā)展方向是樂觀的，云計(jì)算正如它美麗的名字一樣，正在不斷的將新的驚喜呈現(xiàn)在世人面前.而其服務(wù)共享模式也將與社會(huì)整體發(fā)展的人本取向一道共同促進(jìn)人的生產(chǎn)與生活。

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