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

陳聰健

(西門子中國有限公司，北京 100102)

1 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)

1.1 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)中心內(nèi)部通過鏈路和交換機(jī)來連接服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)就是數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心采用層次結(jié)構(gòu)，在一個數(shù)據(jù)中心內(nèi)有多種應(yīng)用模式，每個應(yīng)用都有單獨的服務(wù)器，而且綁定了IP地址，可以接受網(wǎng)絡(luò)用戶的訪問。數(shù)據(jù)中心內(nèi)部負(fù)載可以負(fù)責(zé)分配來自網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)請求，接受請求的地址是虛擬地址，負(fù)責(zé)處理的地址是直接地址。

1.2 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)存在的不足

隨著規(guī)模擴(kuò)大、服務(wù)器數(shù)量激增、流量增加，導(dǎo)致寬帶變得非常擁擠。要采取一定的方式解決，而不是繼續(xù)增加服務(wù)器數(shù)量。為解決服務(wù)器數(shù)量激增的問題，出現(xiàn)了一些新的數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)，比如立方體、多根樹等新網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。為提高服務(wù)器效率，要設(shè)置流量間隔。數(shù)據(jù)中心虛擬化需要數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)支持，每一個虛擬機(jī)不能影響應(yīng)用層的狀態(tài)。由于存在大量的服務(wù)器和交換機(jī)，數(shù)據(jù)中心不能再配置過多的交換機(jī)，要做到即插即用。數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)已非常龐大，有很多鏈路處于負(fù)載狀態(tài)。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的設(shè)備比較低端，經(jīng)常會出現(xiàn)鏈路失效等故障，如：

A.服務(wù)器和寬帶的連接發(fā)生了障礙。二層的服務(wù)器通信要經(jīng)過三層鏈接，影響了輸出容量，導(dǎo)致服務(wù)器的可用寬帶受到了限制。接入路由器的服務(wù)器構(gòu)成了二層域，規(guī)模較小，不能構(gòu)建大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心。B.負(fù)載均衡技術(shù)利用不佳，導(dǎo)致資源利用率較低，服務(wù)器無法利用客戶端資源進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘。如果使用硬件擴(kuò)展會付出大量成本，傳統(tǒng)體系中負(fù)載是成對兒使用的，負(fù)載增加，均衡器也要增加。C.傳統(tǒng)流量工程很難實施。數(shù)據(jù)中心的流量是動態(tài)的，很多流量都是內(nèi)部流量，流量又是持續(xù)變化的，很難控制，自動化程度較差，而且人工操作會經(jīng)常出錯，會帶來很多網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險。D.三層結(jié)構(gòu)的每個交換機(jī)都要配置服務(wù)器，導(dǎo)致配置開銷增大，會增加操作的失誤風(fēng)險。E.服務(wù)器的流量沒有間隔，一個服務(wù)器流量增多會使其他服務(wù)器也受到流量影響。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是面向互聯(lián)網(wǎng)開發(fā)的，不適合數(shù)據(jù)中心模式，需對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)。

1.3 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)條件

服務(wù)器和虛擬機(jī)較為便捷，便于遷移。數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器可以作為VIP服務(wù)器來使用，服務(wù)器可以擴(kuò)展，虛擬機(jī)也可以進(jìn)行遷移。服務(wù)器之間要有很高的傳輸帶寬，很多數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器流量都會大于外部客戶端的流量，所以數(shù)據(jù)中心要提供最大的服務(wù)器帶寬。服務(wù)器擴(kuò)展要低成本，物理結(jié)構(gòu)可以持續(xù)擴(kuò)展，不用依賴交換機(jī)進(jìn)行擴(kuò)展，可以通過增加服務(wù)器來提高增量。新增的服務(wù)器不會影響以前的服務(wù)器，要對協(xié)議進(jìn)行更新設(shè)計。數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)要能夠處理各種故障，如服務(wù)器失效、兩路故障等。網(wǎng)絡(luò)的配置要低成本運營，以應(yīng)對高開銷。要設(shè)計高效的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)是一種高動態(tài)的突發(fā)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的有些鏈路會產(chǎn)生阻塞，網(wǎng)絡(luò)中心要通過靈活的拓?fù)湔{(diào)配負(fù)載來疏通網(wǎng)絡(luò)，以免造成網(wǎng)絡(luò)流量的阻塞。網(wǎng)絡(luò)中心要具有節(jié)能減排功能，在能源緊缺的情況下，網(wǎng)絡(luò)中心要提高效率，節(jié)約能源。服務(wù)器要有流量間隔，一個服務(wù)器流量大時，不要影響到其他服務(wù)器。對于這些要求，科技人員進(jìn)行了很多方案設(shè)計。

2 網(wǎng)絡(luò)中心方案

以網(wǎng)絡(luò)為中心的方案要求網(wǎng)絡(luò)流量和轉(zhuǎn)發(fā)都由交換機(jī)和路由器來完成，這些方案基本都是通過改變路由機(jī)制和網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)方式來進(jìn)行設(shè)計的。有些學(xué)者引入了光纖方式和光電混合方式，還有學(xué)者提出了節(jié)能減排的介入方式，如下：

2.1 FATTREE

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。國外學(xué)者借鑒電話網(wǎng)絡(luò)的做法提出了FATTREE連接以太網(wǎng)的方案，此結(jié)構(gòu)分為三層核心、聚合和邊緣交換機(jī)，是一種樹型結(jié)構(gòu)。

地址配置。在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置了IP地址，交換機(jī)的地址代表交換機(jī)在POD中的位置，核心交換機(jī)的位置代表了交換機(jī)在網(wǎng)格中的坐標(biāo)，主機(jī)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(xiàn)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(shù)據(jù)中心的流量，有學(xué)者認(rèn)為沒有必要在數(shù)據(jù)中心提供均勻的網(wǎng)絡(luò)場景，如果網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)流量的變化調(diào)整自身的拓?fù)浜玩溌?，就可以提供較為靈活的傳輸帶寬。

2.3 無線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)

2.3.1 典型結(jié)構(gòu)

無線技術(shù)可以在無線狀態(tài)下進(jìn)行拓?fù)洳贾?，所以國外學(xué)者便將無線技術(shù)引入到了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心，通過TOR交換機(jī)增加無線鏈路來緩解網(wǎng)絡(luò)的擁堵現(xiàn)象，以解決傳輸空間問題。但無線網(wǎng)絡(luò)不能滿足所有針對數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)需要，比如擴(kuò)展性和高容量的要求。由于干擾和負(fù)載無線鏈路的容量會受到影響，所以要引進(jìn)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2.3.2 無線鏈路的調(diào)度

無線網(wǎng)絡(luò)調(diào)度包括手機(jī)流量、分配鏈路和鏈路調(diào)度。手機(jī)流量要求以一個特定的服務(wù)器為單元頭，負(fù)責(zé)手機(jī)本地流量和調(diào)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(jìn)行廣播。

2.3.3 全無線架構(gòu)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)

通過60 GHz無線通信技術(shù)提出了一種全無線的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，將交換結(jié)構(gòu)引進(jìn)服務(wù)器節(jié)點，讓服務(wù)器的節(jié)點不那么緊密。為達(dá)到低伸展的要求，將服務(wù)器網(wǎng)卡進(jìn)行了替換，并將服務(wù)器復(fù)制在圓柱形的架構(gòu)里面，方便建立通信聯(lián)系，使這些鏈接構(gòu)成了一個機(jī)密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。由于網(wǎng)絡(luò)連接是一種CAYL圖(簡稱CAYL數(shù)據(jù)中心)，于是設(shè)計了一種新的路由協(xié)議，讓服務(wù)器可以縮短儲存時間。目前，全無線網(wǎng)絡(luò)在規(guī)模形式上都存在一些問題，但隨著高科技的發(fā)展，在數(shù)據(jù)中心中應(yīng)用無線架構(gòu)會成為一種普遍趨勢。

2.3.4 無線有線混合結(jié)構(gòu)

運用無線技術(shù)去掉了繁瑣的連線，緩解了主機(jī)寬帶的壓力，解決了流量和無線連接的問題。但無線技術(shù)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(jīng)過測量發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)中心的流量是可以改變的，這就造成了主機(jī)的位置不確定，需要對拓?fù)溥M(jìn)行調(diào)整。

3 服務(wù)器中心方案

以服務(wù)器為中心的設(shè)計方案中，使用迭代設(shè)計的拓?fù)浼軜?gòu)方式較多，服務(wù)器還可當(dāng)作路由器來使用，會參與轉(zhuǎn)發(fā)和均衡負(fù)載，這些方案通過迭代設(shè)計讓服務(wù)器產(chǎn)生了很多途徑。BC網(wǎng)絡(luò)包括服務(wù)器和交換機(jī)兩種設(shè)備，采用了遞減的構(gòu)建方式。BC可以將N個服務(wù)器連接到一個端口的交換機(jī)中，每個服務(wù)器都有交換機(jī)，每一層都有端口交換機(jī)。

4 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)綜合分析

4.1 設(shè)計方案對比

現(xiàn)有設(shè)計方案可以支持的服務(wù)器分為大中小三層，在使用主流配置的情況下，服務(wù)器之間帶寬和網(wǎng)卡之間的認(rèn)購比例較高。寬帶可分為四個層次，要比較設(shè)計方案能否處理服務(wù)器故障、交換機(jī)故障和鏈路故障，還要比較擴(kuò)展性、布線情況、成本、兼容性、配置、流量、靈活性等內(nèi)容。

4.2 未來的研究方向

第一，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在分布式系統(tǒng)中得到了廣泛研究，學(xué)者們提出了很多網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，應(yīng)在數(shù)據(jù)中心條件下對目前成熟的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗證。在以服務(wù)器為中心的結(jié)構(gòu)中，新型網(wǎng)絡(luò)的研究空間較大。第二，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議包括從MAC層到運輸層的協(xié)議，數(shù)據(jù)中心在管理和結(jié)構(gòu)上都和現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)體系存在一定區(qū)別。在數(shù)據(jù)中心管理方面，可以得到全面的拓?fù)?、流量和失效信息，將這些信息運用在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計上有很大的研究價值。