數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)架構(gòu)的趨勢

趙紅

【摘要】數(shù)據(jù)中心是數(shù)據(jù)的傳輸、計算和存儲的中心，集中了各種軟硬件資源和關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)，面臨異構(gòu)環(huán)境問題、業(yè)務(wù)融合問題、管理規(guī)范等非常復(fù)雜的問題，給數(shù)據(jù)中心的管理帶來了巨大挑戰(zhàn)，如何構(gòu)建新一代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)成為時代主題。

【關(guān)鍵詞】數(shù)據(jù)中心；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；無線DDN；SDN網(wǎng)絡(luò)

Trends in Data Center Network Architecture

Zhao Hong

（Tianyuan Ruixin Communication Technology Co.， LtdXi'anShaanxi710075）

【Abstract】The data center is the center of data transmission， computing and storage， which focuses on various hardware and software resources and key business systems， which are faced with problems such as heterogeneous environment problems， business integration problems and management specifications， and bring data management to the data center. A great challenge， how to build a new generation of data center network to become the theme of the times.

【Key words】Data center；Network structure；Wireless DDN；SDN network

1. 前言

（1）“數(shù)據(jù)中心”是一整套復(fù)雜的設(shè)施，它不僅僅包括計算機(jī)系統(tǒng)和其它與之配套的設(shè)備（例如通信和存儲系統(tǒng)），還包含冗余的數(shù)據(jù)通信連接、環(huán)境控制設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備以及各種安全裝置。[1]谷歌在其發(fā)布的《The Datacenter as a Computer》一書中，將數(shù)據(jù)中心解釋為“多功能的建筑物”，能容納多個服務(wù)器 以及通信設(shè)備。這些設(shè)備被放置在一起是因為它們具有相同的對環(huán)境的要求以及物理安全上的需求，并且這樣放置便于維護(hù)，而“并不僅僅是一些服務(wù)器的集合”[2]。

（2）采用internet接入時，只需要一臺能上網(wǎng)的PC加數(shù)據(jù)中心軟件即可。文中路由器指的是一般公司上網(wǎng)時是通過路由器上網(wǎng)的，此時須在路由器上做一些設(shè)置。也可直接把寬帶接入線接至PC中來實現(xiàn)。不需要ISP開通服務(wù)。但在根據(jù)獲取的外網(wǎng)IP地址及方式選擇采用合適的動態(tài)域名軟件（見圖1）。

2. 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

無線DDN系統(tǒng)分為監(jiān)測點和數(shù)據(jù)中心兩部分，監(jiān)測點采用GPRS DTU，可提供RS-232、RS485、以及以太網(wǎng)接口，數(shù)據(jù)中采用寬帶ADSL或?qū)＞€方式接入Internet，具體接入方式如下：

2.1監(jiān)測點接入方式：監(jiān)測點通過RS-232、RS485或以太網(wǎng)接口與GPRS DTU傳輸模塊連接，然后設(shè)置DTU相關(guān)參數(shù)，每一個GPRS DTU傳輸模塊裝入一個中國移動的數(shù)據(jù)SIM卡即可。

2.2數(shù)據(jù)中心接入方式：數(shù)據(jù)中心接入主要分兩大類：

（1）采用Internet接入 數(shù)據(jù)中心采用寬帶ADSL接入方式，此種方式優(yōu)點是帶寬大、費用經(jīng)濟(jì)。缺點是安全性較差、延時比專線接入稍大。采用局域網(wǎng)共享上網(wǎng)方式，此種方式基本同ADSL接入類似，但注意接入時需做端口映射。采用電話線撥號上網(wǎng)方式。此種方式接入帶寬較窄。所以只適合于點數(shù)較少，且數(shù)據(jù)量小的組網(wǎng)方式。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如下（見圖2）：

（2）移動公司接入數(shù)據(jù)中心采用無線網(wǎng)絡(luò)運營商（指中國移動）提供信道接入，此種方式實際中有以下幾種連接方式：采用移動公司機(jī)房專線接入方式，此種方式帶寬大（一般為2M），對延時、安全性都非常好，但租用此專線價格較貴。特別適合銀行、POS機(jī)組網(wǎng)等需安全系數(shù)較高的用戶，對子站非常多的情況下也推薦采用此種方式。采用GPRS無線接入方式，此種方式在數(shù)據(jù)中心接一臺GPRS MODEM，通過數(shù)據(jù)中心的PC機(jī)撥號上網(wǎng)。優(yōu)點是組網(wǎng)訊速，費用經(jīng)濟(jì)。缺點是帶寬窄（GPRS上行10Kbps，下行40Kbps），延時大。這種方式在測試時用的比較多。如果準(zhǔn)備在實際工程中使用需注意SIM卡需申請APN。

3. 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的新變化

根據(jù)中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心（CNNIC）近期發(fā)布的第39次《中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計報告》，截至2016年12月，我國網(wǎng)民規(guī)模達(dá)7.31億，全年共計新增網(wǎng)民4299萬人。互聯(lián)網(wǎng)普及率為53.2%，較2015年底提升2.9個百分點。中國網(wǎng)民規(guī)模已經(jīng)相當(dāng)于歐洲人口總量。大量網(wǎng)民的涌入必然帶來網(wǎng)絡(luò)流量的急劇膨脹。對于互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，承載具體應(yīng)用的數(shù)據(jù)中心的計算資源及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點常常滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)；而對于傳統(tǒng)企業(yè)，隨著自身業(yè)務(wù)量的增加，以及各類業(yè)務(wù)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（見圖3）。

3.1服務(wù)器萬兆網(wǎng)絡(luò)接入漸成主流。

受成本、以及技術(shù)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(wù)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(luò)與IP網(wǎng)絡(luò)的融合，也要求IP網(wǎng)絡(luò)的接入速率達(dá)到FC的性能要求。當(dāng)僅僅通過鏈路聚合、增加等價路徑等技術(shù)手段已經(jīng)無法滿足業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)性能的需求時，提高網(wǎng)絡(luò)端口速率成為必然之選。

3.2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(wù)器主要用于對外提供業(yè)務(wù)訪問，不同的業(yè)務(wù)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(wù)所需的計算、網(wǎng)絡(luò)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(luò)交互，數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)流量大部分集中于南北向。

在這種設(shè)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。通過虛擬化技術(shù)、云計算管理技術(shù)等，將各個分區(qū)間的資源進(jìn)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(shù)的興起和應(yīng)用，新的業(yè)務(wù)需求如虛擬機(jī)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。

3.3物理二層向邏輯二層轉(zhuǎn)變。

（1）在虛擬化初期，虛擬機(jī)管理及遷移主要依靠物理的網(wǎng)絡(luò)，由于遷移本身要求二層網(wǎng)絡(luò)，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(luò)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(luò)技術(shù)。

（2）隨著虛擬化數(shù)據(jù)中心規(guī)模的擴(kuò)大，以及云化管理的深入，物理網(wǎng)絡(luò)的種種限制越來越不適應(yīng)虛擬化的要求，由此提出了VXLAN、NVGRE等網(wǎng)絡(luò)Overlay方案，在這一方案下，物理網(wǎng)絡(luò)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(luò)拓?fù)溆晌锢矶幼優(yōu)檫壿嫸樱瑫r提供邏輯二層的劃分管理，更好的滿足了多租戶的需求。

3.4越來越多的網(wǎng)絡(luò)扁平化需求。

（1）隨著虛擬化技術(shù)的進(jìn)步，每臺物理服務(wù)器的虛擬機(jī)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(wù)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(luò)核心、匯聚和接入的三層結(jié)構(gòu)，服務(wù)器虛擬化后還有一個虛擬交換機(jī)層，而隨著刀片服務(wù)器的廣泛應(yīng)用，刀片式交換機(jī)也給網(wǎng)絡(luò)添加了一層交換。如此之多的網(wǎng)絡(luò)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(luò)化架構(gòu)向扁平化方向發(fā)展，最終的目標(biāo)是在任意兩點之間盡量減少網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的數(shù)目。

（2）網(wǎng)絡(luò)扁平化后，減少了中間層次，對核心設(shè)備交換能力要求降低，對于數(shù)據(jù)中心而言，后續(xù)擴(kuò)容只需要以標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)柜（包含服務(wù)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(wù)器快速上線需要。扁平化成為互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計不斷追求的目標(biāo)。

4. 未來彈性、自適應(yīng)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)

（1）我們同樣看到，物理網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)改變后一些問題仍然存在，僅僅依靠對傳統(tǒng)技術(shù)的修修補補已經(jīng)無法滿足未來數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的需求。

（2）數(shù)據(jù)中心規(guī)模越來越大，給運維管理帶來壓力。現(xiàn)代（特別是大型互聯(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(wù)器，規(guī)劃規(guī)模達(dá)到20萬臺），所需要的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)量相當(dāng)驚人。除了各個層次大量的交換機(jī)外，可能還需要部署防火墻、防攻擊設(shè)備、負(fù)載均衡、流量清洗等等網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備，設(shè)備類型也會越來越豐富。同時，這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)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。

（3）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。它通過集中的控制器來實現(xiàn)對整網(wǎng)設(shè)備的監(jiān)控和管理，利用軟件的靈活、動態(tài)可擴(kuò)展，提供豐富的管理控制策略，通過開放相關(guān)API，可以集成第三方APP，實現(xiàn)更多的個性化的網(wǎng)絡(luò)控制。

5. 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(shù)對所有虛擬計算資源集中管理，F(xiàn)abric架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)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(luò)實現(xiàn)了虛擬機(jī)的流暢遷移，集中化的SDN網(wǎng)絡(luò)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(dāng)前網(wǎng)絡(luò)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。