數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)及發(fā)展

劉寶平

(黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 黃岡 438002)

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數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)及發(fā)展

劉寶平

(黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 黃岡 438002)

隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模也逐步擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)一直是相關(guān)研究中的熱點(diǎn)問(wèn)題。介紹了數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)，論述了幾種新型數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和性能，并展望了數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)。

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)；虛擬化；軟件定義網(wǎng)絡(luò)

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)(data center network,簡(jiǎn)稱DCN)是指數(shù)據(jù)中心內(nèi)部通過(guò)高速鏈路和交換機(jī)連接大量服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)[1]。云計(jì)算技術(shù)的思想是將大量計(jì)算與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)資源集中在云，也就是集中在數(shù)據(jù)中心里面，終端用戶根據(jù)需要像使用電力一樣從云中獲取各種計(jì)算、存儲(chǔ)和軟件服務(wù)資源。云計(jì)算技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)提出了新的挑戰(zhàn)，比如網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、虛擬機(jī)遷移、多租戶服務(wù)等。因此，隨著數(shù)據(jù)密集型計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展，作為底層基礎(chǔ)設(shè)施，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)在各行各業(yè)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，快速變化的商業(yè)需求和網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的最新技術(shù)都在催生數(shù)據(jù)中心的改變，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究已經(jīng)得到了廣泛關(guān)注和重視。

1　數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了解決網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性、擴(kuò)展性以及上層帶寬瓶頸等問(wèn)題，新型數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不斷被研究者提出，以提供更好的優(yōu)化結(jié)構(gòu)和通信服務(wù)。數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浼軜?gòu)研究是指針對(duì)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的特定需求，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、服務(wù)器節(jié)點(diǎn)編址以及互聯(lián)規(guī)則設(shè)定等相關(guān)方向的研究。根據(jù)目前的研究發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，適用于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)大體上可被分為三種類型：以交換機(jī)為中心的網(wǎng)絡(luò)，以服務(wù)器為中心的網(wǎng)絡(luò)和不規(guī)則的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的部署所提供的網(wǎng)絡(luò)帶寬和容錯(cuò)水平直接影響著數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的性能。

1.1樹(shù)形結(jié)構(gòu)

如今大多數(shù)的數(shù)據(jù)中心是基于以交換機(jī)為中心的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)建的。雖然在擴(kuò)展性和靈活性方面有所欠缺，但由于和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相似，因此大多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)組件和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議直接或稍作修改后便可應(yīng)用在這類網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，這也使得它更容易對(duì)傳統(tǒng)交換機(jī)進(jìn)行更新，以支持網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建工作。網(wǎng)絡(luò)中的所有鏈路均使用以太網(wǎng)協(xié)議，為了合理控制分組泛洪等負(fù)載問(wèn)題，服務(wù)器一般被劃分為不同的域結(jié)構(gòu)進(jìn)行管理，將不同的業(yè)務(wù)或邏輯服務(wù)器進(jìn)行分組以達(dá)到彼此隔離的目的。

1.2fat-tree網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

fat-tree網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一種以交換機(jī)為中心的典型網(wǎng)絡(luò)。fat-tree結(jié)構(gòu)是使用廉價(jià)交換機(jī)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)采用大量廉價(jià)交換機(jī)與復(fù)雜連線取代昂貴的高層交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備互聯(lián)。這些廉價(jià)交換機(jī)具有等同的交換能力和端口數(shù)量，不使用上行端口，而是完全使用下行端口。與傳統(tǒng)樹(shù)形結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于，位于匯聚層和邊緣層這兩層的交換機(jī)被分為々個(gè)域，域中的兩層交換機(jī)設(shè)備之間可以實(shí)現(xiàn)全連接。核心交換機(jī)端口全部向下連接匯聚交換機(jī)；匯聚交換機(jī)端口一半向上連接核心交換機(jī)，一半向下連接邊緣交換機(jī)；邊緣交換機(jī)一半端口向上連接核心交換機(jī)，一半端口向下連接服務(wù)器。使用端口交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)足以容納多達(dá)臺(tái)服務(wù)器。

1.3DCell網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

DCell網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是由微軟亞洲研究院提出的以服務(wù)器為中心、遞歸定義形成的網(wǎng)絡(luò)類型。使用層次化全連接的方式生成小型交換機(jī)間的互聯(lián)結(jié)構(gòu)。這種分層連接、高度稱合的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少了數(shù)據(jù)延遲，提高了容錯(cuò)性和網(wǎng)絡(luò)帶寬。DCell0是最小的結(jié)構(gòu)單元，它由一臺(tái)為專門設(shè)計(jì)的特殊交換機(jī)和幾臺(tái)計(jì)算機(jī)組成。這個(gè)單元作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，充當(dāng)下一層結(jié)構(gòu)的基本單元，這就保證了每一層的連接都是一個(gè)完整圖。是基于遞歸思想使用多端口的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和小型交換機(jī)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。的優(yōu)點(diǎn)是遞歸定義、去中心化、完全互聯(lián)等，可以較好地支撐路由容錯(cuò)，并提供比樹(shù)形結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)更好的聚合帶寬。

1.4BCube網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

為了解決的流量擁堵?tīng)顩r，微軟亞洲研究院提出了DCell網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，新型的BCubel結(jié)構(gòu)改進(jìn)使在網(wǎng)絡(luò)頂層可以提供更多的帶寬。在中，每一層的多端口服務(wù)器由多個(gè)交換機(jī)連接。與樹(shù)形結(jié)構(gòu)、胖樹(shù)結(jié)構(gòu)和不同的是，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是模塊化的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)。

2　現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)作為互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的基礎(chǔ)支撐平臺(tái)，承載著各類核心關(guān)鍵業(yè)務(wù)，對(duì)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的功能和性能提出了全新的要求。與一般的網(wǎng)絡(luò)不同，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)在結(jié)構(gòu)上也有其特殊的要求。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)典型地采用二層或三層樹(shù)形結(jié)構(gòu)，在三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，自上而下分別為核心層、匯聚層、邊緣層。

近年來(lái)，隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，因特網(wǎng)、電信網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等各類網(wǎng)絡(luò)相互交叉融合，信息量呈海量式增長(zhǎng)，對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳輸、處理等提出了極高的要求，數(shù)據(jù)中心規(guī)模急劇擴(kuò)大，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)成為限制數(shù)據(jù)中心發(fā)展的瓶頸，為此，研究人員提出了多種新的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)相比，這些網(wǎng)絡(luò)具有鮮明的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

2.1特點(diǎn)1：基于商業(yè)交換機(jī)構(gòu)建

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)采用樹(shù)形結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)的通信帶寬將受限于根節(jié)點(diǎn)的帶寬，如假設(shè)采用典型的三層樹(shù)形結(jié)構(gòu)，且所有層都使用普通48端口GIgE交換機(jī)，則核心層可用帶寬僅為所有服務(wù)器出口帶寬的約4‰。隨著交換機(jī)端口數(shù)以及網(wǎng)絡(luò)層數(shù)的增加，這種限制將更加突出。為了提高系統(tǒng)性能，需要采用高端昂貴的交換設(shè)備構(gòu)建。雖然隨著技術(shù)的發(fā)展，交換機(jī)的性能將不斷提高，但是樹(shù)形結(jié)構(gòu)的這種結(jié)構(gòu)性的問(wèn)題將一直存在。一個(gè)現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心通常可達(dá)上萬(wàn)乃至上百萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器的規(guī)模，使用高端專用設(shè)備將帶來(lái)巨大的開(kāi)銷。為了降低成本，現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心通常采用普通商業(yè)交換機(jī)構(gòu)建，如Google數(shù)據(jù)中心、微軟數(shù)據(jù)中心及Fat-tree,Portland,DCell,BCube等?；谏虡I(yè)交換機(jī)構(gòu)建是現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)，也是導(dǎo)致現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)其他特性的重要因素。

2.2特點(diǎn)2：節(jié)點(diǎn)之間多路徑連接

使用商業(yè)交換機(jī)使得單條路徑的傳輸能力受限，需要在服務(wù)節(jié)點(diǎn)之間增加多條路徑以滿足服務(wù)器間高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆at-tree,Portland均采用Clos構(gòu)架的一種特殊形式(fat-tree)作為物理網(wǎng)絡(luò)的連接形式，提供服務(wù)器間的多路徑訪問(wèn)，VL2在使用Clos構(gòu)架的同時(shí)在核心層使用高端10GigE交換機(jī)以支持多路徑并提供更高的帶寬。Clos架構(gòu)是貝爾實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的一種多級(jí)交換結(jié)構(gòu)，最早應(yīng)用在電話網(wǎng)絡(luò)中。Clos支持多級(jí)交換，并通過(guò)每個(gè)交換單元都連接到下一級(jí)的所有交換單元上，在不同交換單元之間建立多條交換鏈路。與此不同，DCell,BCube則通過(guò)在服務(wù)器上增加網(wǎng)卡，使服務(wù)器也承擔(dān)部分路由和轉(zhuǎn)發(fā)功能，并通過(guò)層次式的遞歸連接模式，構(gòu)建服務(wù)器之間的多條通路。兩者相比，前者在網(wǎng)絡(luò)的連接方式上更加接近于傳統(tǒng)樹(shù)形結(jié)構(gòu)，連接相對(duì)簡(jiǎn)單，更加直觀和易于構(gòu)建，但由于交換機(jī)承擔(dān)全部路由和轉(zhuǎn)發(fā)功能，仍需使用較高端的交換機(jī)，成本相對(duì)較高，而后者由于服務(wù)器承擔(dān)了部分轉(zhuǎn)發(fā)功能，只需小端口的交換機(jī)即可組建大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，成本相對(duì)更低，但服務(wù)器的轉(zhuǎn)發(fā)能力相對(duì)更弱，同時(shí)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能也可能降低服務(wù)器性能。

2.3特點(diǎn)3：從機(jī)架式向集裝箱式轉(zhuǎn)變

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心基于機(jī)架構(gòu)建，需要復(fù)雜的手工連線并占用大量的基礎(chǔ)設(shè)施(如機(jī)房、空調(diào)冷卻系統(tǒng))，開(kāi)發(fā)部署周期長(zhǎng)，且一經(jīng)部署就難以移動(dòng)，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)和基礎(chǔ)設(shè)施緊密耦合。集裝箱式數(shù)據(jù)中心又稱模塊化數(shù)據(jù)中心，它將服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)和空調(diào)系統(tǒng)封裝在標(biāo)準(zhǔn)尺寸的集裝箱內(nèi)，一個(gè)集裝箱式數(shù)據(jù)中心可包含幾百或上千臺(tái)服務(wù)器。與傳統(tǒng)機(jī)架式數(shù)據(jù)中心相比，集裝箱式數(shù)據(jù)中心具有開(kāi)發(fā)周期短、能耗密度高、占地面積小、便于移動(dòng)部署等特征。

3　發(fā)展趨勢(shì)與展望

隨著云計(jì)算和大數(shù)據(jù)應(yīng)用的飛速發(fā)展以及網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)中心中的核心地位，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為了近年來(lái)引人矚目的研究熱點(diǎn)。國(guó)際學(xué)術(shù)界、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商、云計(jì)算提供商等都對(duì)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)研究給予了非常大的關(guān)注。由于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究與工業(yè)界結(jié)合緊密，技術(shù)創(chuàng)新易于部署，可以預(yù)計(jì)在未來(lái)數(shù)年內(nèi)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的研究還將持續(xù)成為焦點(diǎn)。學(xué)術(shù)界關(guān)于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的研究將成為云計(jì)算發(fā)展的有力助推器，并推動(dòng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)和協(xié)議本身的創(chuàng)新。當(dāng)前國(guó)內(nèi)關(guān)于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的研究基本與國(guó)際學(xué)術(shù)界保持同步，在部分技術(shù)方向甚至處于領(lǐng)先地位。因此，加強(qiáng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的研究，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)云計(jì)算和下一代互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并在國(guó)際新一輪IT技術(shù)革新浪潮中取得話語(yǔ)權(quán)，有非常重要的影響。

[1]陳康，鄭緯民.云計(jì)算：系統(tǒng)實(shí)例與研究現(xiàn)狀[J].軟件學(xué)報(bào)，2009，20(5)：1337-1348

劉寶平，男，黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院，碩士，副教授，主要研究方向：網(wǎng)絡(luò)安全和電腦維護(hù)。

TP393

A

1671-1602(2016)16-0098-02