數據中心網絡的體系結構及發展探析

陳聰健

(西門子中國有限公司，北京 100102)

1 數據中心網絡的基本結構

1.1 傳統的數據中心網絡結構

數據中心內部通過鏈路和交換機來連接服務器的網絡就是數據中心網絡。傳統的數據中心采用層次結構，在一個數據中心內有多種應用模式，每個應用都有單獨的服務器，而且綁定了IP地址，可以接受網絡用戶的訪問。數據中心內部負載可以負責分配來自網絡的服務請求，接受請求的地址是虛擬地址，負責處理的地址是直接地址。

1.2 傳統的數據中心網絡結構存在的不足

隨著規模擴大、服務器數量激增、流量增加，導致寬帶變得非常擁擠。要采取一定的方式解決，而不是繼續增加服務器數量。為解決服務器數量激增的問題，出現了一些新的數據中心結構，比如立方體、多根樹等新網絡結構。為提高服務器效率，要設置流量間隔。數據中心虛擬化需要數據中心的網絡支持，每一個虛擬機不能影響應用層的狀態。由于存在大量的服務器和交換機，數據中心不能再配置過多的交換機，要做到即插即用。數據中心的網絡已非常龐大，有很多鏈路處于負載狀態。傳統數據中心的設備比較低端，經常會出現鏈路失效等故障，如：

A.服務器和寬帶的連接發生了障礙。二層的服務器通信要經過三層鏈接，影響了輸出容量，導致服務器的可用寬帶受到了限制。接入路由器的服務器構成了二層域，規模較小，不能構建大規模的數據中心。B.負載均衡技術利用不佳，導致資源利用率較低，服務器無法利用客戶端資源進行數據挖掘。如果使用硬件擴展會付出大量成本，傳統體系中負載是成對兒使用的，負載增加，均衡器也要增加。C.傳統流量工程很難實施。數據中心的流量是動態的，很多流量都是內部流量，流量又是持續變化的，很難控制，自動化程度較差，而且人工操作會經常出錯，會帶來很多網絡風險。D.三層結構的每個交換機都要配置服務器，導致配置開銷增大，會增加操作的失誤風險。E.服務器的流量沒有間隔，一個服務器流量增多會使其他服務器也受到流量影響。傳統的網絡協議是面向互聯網開發的，不適合數據中心模式，需對網絡協議進行改進。

1.3 數據中心網絡條件

服務器和虛擬機較為便捷，便于遷移。數據中心的服務器可以作為VIP服務器來使用，服務器可以擴展，虛擬機也可以進行遷移。服務器之間要有很高的傳輸帶寬，很多數據中心的服務器流量都會大于外部客戶端的流量，所以數據中心要提供最大的服務器帶寬。服務器擴展要低成本，物理結構可以持續擴展，不用依賴交換機進行擴展，可以通過增加服務器來提高增量。新增的服務器不會影響以前的服務器，要對協議進行更新設計。數據中心的網絡要能夠處理各種故障，如服務器失效、兩路故障等。網絡的配置要低成本運營，以應對高開銷。要設計高效的網絡協議。數據中心的網絡是一種高動態的突發網絡，網絡中的有些鏈路會產生阻塞，網絡中心要通過靈活的拓撲調配負載來疏通網絡，以免造成網絡流量的阻塞。網絡中心要具有節能減排功能，在能源緊缺的情況下，網絡中心要提高效率，節約能源。服務器要有流量間隔，一個服務器流量大時，不要影響到其他服務器。對于這些要求，科技人員進行了很多方案設計。

2 網絡中心方案

以網絡為中心的方案要求網絡流量和轉發都由交換機和路由器來完成，這些方案基本都是通過改變路由機制和網絡的互聯方式來進行設計的。有些學者引入了光纖方式和光電混合方式，還有學者提出了節能減排的介入方式，如下：

2.1 FATTREE

拓撲結構。國外學者借鑒電話網絡的做法提出了FATTREE連接以太網的方案，此結構分為三層核心、聚合和邊緣交換機，是一種樹型結構。

地址配置。在網絡中設置了IP地址，交換機的地址代表交換機在POD中的位置，核心交換機的位置代表了交換機在網格中的坐標，主機的位置在底層。

二級路由器和路由。為了使流量可以均勻分布，實現了二級路由器允許前綴查詢。一些路由器的表項會有個額外的指針指到一個二級路由器。

2.2 OSA

通過分析數據中心的流量，有學者認為沒有必要在數據中心提供均勻的網絡場景，如果網絡可以根據流量的變化調整自身的拓撲和鏈路，就可以提供較為靈活的傳輸帶寬。

2.3 無線數據中心網絡

2.3.1 典型結構

無線技術可以在無線狀態下進行拓撲布置，所以國外學者便將無線技術引入到了網絡數據中心，通過TOR交換機增加無線鏈路來緩解網絡的擁堵現象，以解決傳輸空間問題。但無線網絡不能滿足所有針對數據中心的網絡需要，比如擴展性和高容量的要求。由于干擾和負載無線鏈路的容量會受到影響，所以要引進無線傳輸來緩解壓力，利用無線通信作為有限通信的緩解，提出了一個以太無線網絡結構。

2.3.2 無線鏈路的調度

無線網絡調度包括手機流量、分配鏈路和鏈路調度。手機流量要求以一個特定的服務器為單元頭，負責手機本地流量和調度，每個單元頭都有控制天線，所有的單元頭都通過2.4/5 GHz頻道的方式進行廣播。

2.3.3 全無線架構數據網絡

通過60 GHz無線通信技術提出了一種全無線的數據中心網絡，將交換結構引進服務器節點，讓服務器的節點不那么緊密。為達到低伸展的要求，將服務器網卡進行了替換，并將服務器復制在圓柱形的架構里面，方便建立通信聯系，使這些鏈接構成了一個機密的網狀結構。由于網絡連接是一種CAYL圖(簡稱CAYL數據中心)，于是設計了一種新的路由協議，讓服務器可以縮短儲存時間。目前，全無線網絡在規模形式上都存在一些問題，但隨著高科技的發展，在數據中心中應用無線架構會成為一種普遍趨勢。

2.3.4 無線有線混合結構

運用無線技術去掉了繁瑣的連線，緩解了主機寬帶的壓力，解決了流量和無線連接的問題。但無線技術在一定的帶寬條件下傳輸距離有限，而且WDCN采用了廣播方式收集流量，始終面臨著通信開銷大的問題。經過測量發現，數據中心的流量是可以改變的，這就造成了主機的位置不確定，需要對拓撲進行調整。

3 服務器中心方案

以服務器為中心的設計方案中，使用迭代設計的拓撲架構方式較多，服務器還可當作路由器來使用，會參與轉發和均衡負載，這些方案通過迭代設計讓服務器產生了很多途徑。BC網絡包括服務器和交換機兩種設備，采用了遞減的構建方式。BC可以將N個服務器連接到一個端口的交換機中，每個服務器都有交換機，每一層都有端口交換機。

4 數據中心網絡綜合分析

4.1 設計方案對比

現有設計方案可以支持的服務器分為大中小三層，在使用主流配置的情況下，服務器之間帶寬和網卡之間的認購比例較高。寬帶可分為四個層次，要比較設計方案能否處理服務器故障、交換機故障和鏈路故障，還要比較擴展性、布線情況、成本、兼容性、配置、流量、靈活性等內容。

4.2 未來的研究方向

第一，網絡結構在分布式系統中得到了廣泛研究，學者們提出了很多網絡結構，應在數據中心條件下對目前成熟的網絡結構進行驗證。在以服務器為中心的結構中，新型網絡的研究空間較大。第二，網絡協議包括從MAC層到運輸層的協議，數據中心在管理和結構上都和現在的網絡體系存在一定區別。在數據中心管理方面，可以得到全面的拓撲、流量和失效信息，將這些信息運用在網絡架構設計上有很大的研究價值。