云時代下數據中心網絡技術研究

馬銘冀　張曉蕾　楊繼家

摘 要：隨著虛擬化、云計算、大數據技術的迅猛發展，網絡結構發生了巨大的變化，傳統數據中心已不能滿足企業信息化建設的需要。云時代下的數據中心如何發展已成為重要的研究課題。文章分別從網絡虛擬化技術、數據中心對網絡的需求等方面進行了研究。

關鍵詞：云時代；網絡技術；數據技術

1 數據中心的發展

傳統的數據中心是由傳統機房發展而來的，采用傳統的網絡和IT設備部署模式，基于煙囪式的建設模式，為每個業務系統采購一套獨立的硬件資源。隨著各個單位和企業信息化建設的不斷發展，逐漸形成了規模化的數據中心基礎設施，實現了IT資源的集中管理和解決了容災問題。隨著業務的快速發展，數據中心IT基礎設施不斷擴展。為提升IT架構的靈活性和數據中心各類資源的利用率，虛擬化技術在數據中心得到了廣泛應用。虛擬化屏蔽了物理設備的異構性，使得數據中心的IT設施的靈活性大幅提升，同時也降低了數據中心的能耗。隨著云計算、虛擬化等技術的迅猛發展，對數據中心在資源調度部署、管理效率、安全性、穩定性等方面提出了巨大挑戰，基于云計算的數據中心已成為所有IT建設的重點和核心。

2 云計算對數據中心網絡架構的影響

維基百科對云計算的定義是：云計算是一種基于互聯網的計算新方式，通過互聯網上異構、自治的服務為個人和企業提供按需即取的計算。云計算數據中心的關鍵技術是虛擬化和自動化。在這個兩個技術的影響下，網絡結構發生了巨大的變化。它將是一個以10G級以太網為接入和T級以太網為核心、數據網和存儲網相互融合、支持虛擬交換、開放、可編程的網絡。

3 云計算數據中心網絡技術研究

（1）設計原則。云計算的數據中心網絡必須基于國際標準和國家標準，包括IEEE制定的支撐虛擬機邊緣接入的802.1Qbg、802.1Qbh等技術標準，以解決云計算帶來的虛擬機感知、控制以及網絡邊界等問題；同時能夠按照業務的不斷發展，快速的對網絡資源進行擴容，滿足用戶對計算、存儲以及網絡資源進行分配調整的需求。（2）通道虛擬化技術。通常是指對物理網絡及其組件進行抽象，虛擬化出具有獨立的數據路徑通道的邏輯網絡，主要通過VLAN、QINQ、Multi-VRF、MPLS-VPN等技術實現。（3）網絡設備虛擬化技術。隨著云計算的高速發展，網絡設備虛擬化技術應運而生。網絡設備虛擬化技術是將物理上獨立的多臺設備整合成一臺單一邏輯上的虛擬設備，或者將一臺設備虛擬化成多臺邏輯上獨立的虛擬設備，前者是多虛一技術，后者是一虛多技術。各大網絡設備廠商在2009年先后推出了虛擬化解決方案。H3C提出了專有的設備虛擬化技術IRF（Intelligent Resilient Framework，即智能彈性架構），它可將實際物理設備虛擬化為邏輯設備供用戶使用。而目前的IRF2.0還是一種將多個設備虛擬為單一設備使用的通用虛擬化技術，此技術已經應用于高、中、低端多個系列的交換機設備，而且通過IRF2.0技術形成的虛擬設備具有更高的擴展性、可靠性及性能。華為公司提出了CSS（ClusterSwitchSystem，集群交換機系統）技術，把多臺支持集群的交換機鏈接起來，從而組成一臺更大的交換機。思科公司提出了虛擬交換系統VSS就是一種典型的網絡虛擬化技術，它實現了將多臺思科交換機虛擬成單臺交換機，使設備可用的端口數量、轉發能力、性能規格都倍增。（4）網絡功能虛擬化技術。網絡功能虛擬化技術是利用IT虛擬化技術，將現有的各類網絡設備功能整合進標準的工業IT設備，使傳統網絡的網元功能可以運行在標準的服務器硬件之上。其代表技術有：a.疊加組網技術，其中VXLAN技術應用最廣泛；b.虛擬化資源調度技術，包括虛擬化流量調度技術，業務鏈調度技術。c.虛擬化集群技術，包括同構、異構虛擬集群技術。（5）基于SDN的網絡虛擬化。SDN改變了傳統網絡架構的控制模式， 將網絡分為控制層（Control Plane）和數據層（Data Plane）。網絡的管理權限交給了控制層的控制器軟件，通過OpenFlow傳輸通道，統一下達命令給數據層設備。數據層設備僅依靠控制層的命令轉發數據包。SDN技術極大地推動了網絡功能虛擬化的發展進程。這個兩者之間是互利的，但又非相互依賴。網絡功能可以在沒有SDN的配合下實現虛擬化和部署，SDN也同樣如此，可以獨立實現。網絡功能虛擬化與軟件定義網絡是高度互補，但并不完全相互依賴。網絡功能虛擬化可以無需SDN獨立實施，不過，這兩個概念及方案是可以配合使用，并能獲得潛在的疊加增值效應。SDN 有三種主流實現方式，分別是OpenFlow 組織主導的開源軟件（包括Google，IBM，Citrix 等公司支持），思科主導的應用中心基礎設施（Application CentricInfrastructure，ACI），以及VMware 主導的NSX。

4 云時代下數據中心對網絡的需求

（1）支持服務器虛擬化和資源自動化遷移。為了解決單一物理服務器利用率較低，服務器虛擬化技術應運而生。它使得單臺物理服務器可以被虛擬成多臺應用服務器，大大提高了物理服務器的使用效率。同時，虛擬服務器的遷移不再涉及物理上的搬遷。網絡層面要支持遷移時用戶的相關業務不中斷，并且可以根據資源的利用情況動態的、自動化的完成遷移。（2）提供更高的網絡承載性能。通過服務器虛擬化技術使服務器的利用率從20%提高到80%，由此帶來的服務器端口的流量也將大幅提升。這就要求數據中心能夠提供更高的網絡承載性能和網絡可靠性。（3）支持多租戶，網絡的規模可彈性伸縮。針對不同租戶的業務，可以快速配置和創建相互隔離且滿足特定QoS需求的虛擬網絡。同時，根據多租戶帶來了網絡數據吞吐量的急速增加，及時調整網絡拓撲結構以構建無阻塞網絡，實現服務器快速接入。（4）支持虛擬機之間網絡流量監控和訪問控制。由于采用的服務器虛擬化技術，在某一物理服務器上運行的虛機之間的通訊流量只在此服務器內部產生，不在經過傳統的網絡設備。云計算數據中心網絡應具有虛擬感知的能力，對這部分通訊流量進行監控，同時通過虛擬防火墻等技術實現虛機之間的訪問防護，阻止各種惡意流量。（5）網絡自動化敏捷部署。通過高效的網絡部署實現面向業務的網絡自動化部署，支撐網絡策略快速調整，提升業務上線周期。（6）彈性可擴展的大二層網絡，跨數據中心鏈路調優。針對云計算的可遷移、可復制特點，云計算數據中心網絡應支持大二層的組網，支持虛擬機在數據中心內和跨數據中心之間遷移前后的IP地址保持一致，保障業務的連續性。

5 結束語

各行各業的數據中心建設經歷了大集中階段、虛擬化階段后，目前大部分處在從虛擬化階段向云計算階段轉型的過程中。隨著新的虛擬化技術不斷的優化與進步，在網絡虛擬化和網絡設備虛擬化技術基礎上，基于SDN技術架構實現統一資源調度，構建大二層、彈性靈活、可自動化部署的云計算數據中心網絡將是未來的發展趨勢。

參考文獻

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