云計算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)淺析

　　云計算，開啟IT 革新，網(wǎng)絡(luò)變革應(yīng)“云”而生，云計算將給數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)帶來結(jié)構(gòu)性變化，設(shè)計一種適應(yīng)云計算的下一代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)勢在必行。云計算時代，一切都將發(fā)生根本性變革，網(wǎng)絡(luò)作為IT 基礎(chǔ)設(shè)施平臺，其整體架構(gòu)、設(shè)備組件、協(xié)議選擇、關(guān)鍵技術(shù)都將發(fā)生根本性革新。

　　1.云計算基本架構(gòu)

　　云計算的概念并不具體，各方面定義很多，以使用者的視角來看，就是讓用戶在不需了解資源的情況下得到按需分配，計算資源被虛擬化為一片云。當(dāng)前主流的云計算概念更貼切于云服務(wù)，現(xiàn)在提供租用服務(wù)的是虛擬機，是軟件平臺，更可能是應(yīng)用程序。

　1.1 云計算的五大特性

　　云計算的五大特性分別是用戶按需的自助服務(wù)；任何時間、地點和接入方式均可到云計算所提供服務(wù)的廣泛網(wǎng)絡(luò)訪問；有需占用無需釋放的池化資源；及時響應(yīng)用戶資源需求擴張和收縮調(diào)度的良好彈性；提供運營公用服務(wù)、使用資源的計時計量的計費服務(wù)。

　　1.2 云計算分層架構(gòu)

　　云計算服務(wù)的三個層次分別是硬件即服務(wù)IaaS（Infrastructure as a Service）、平臺即服務(wù)PaaS（Platform as a Service）和軟件即服務(wù)SaaS（Software as a Service），分別對應(yīng)于硬件資源、平臺資源以及應(yīng)用資源。

　　1.3 集中云、分散云

　　集中云即真正意義上的多虛一，是將幾百上千臺或更多服務(wù)器資源集結(jié)、統(tǒng)一計算，對外提供服務(wù)，云技術(shù)上分為主備和負(fù)載均衡兩類。主要應(yīng)用于國家級應(yīng)用和大型互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商。

　　分散云，使用一虛多技術(shù)，是通過類似于VMware 軟件將一臺服務(wù)器或者PC 分成多個虛擬機，使CPU、內(nèi)存和帶寬達(dá)到最高的利用率，目前主要技術(shù)包括操作系統(tǒng)虛擬化、主機虛擬化和Bare-Metal 虛擬化。主要應(yīng)用于中小企業(yè)和個人。

　　1.4 公有云、私有云

　　公有云是放在Internet 上的，只要是注冊用戶、付費用戶都可以用。

　　私有云是放在私有環(huán)境中的，比如企業(yè)、政府、組織等自行在機房中建立的，或是運營商建設(shè)好，但整體租給某一組織的。企業(yè)、組織、政府等之外的用戶無法訪問或無法使用。

　　2.云計算數(shù)據(jù)中心大二層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　2.1 網(wǎng)絡(luò)大二層架構(gòu)設(shè)計

　　2.1.1 設(shè)計原則

　　1） 高可用性：為了保障對云計算終端用戶提供最安全、最可靠的數(shù)據(jù)存儲中心，網(wǎng)絡(luò)平臺必須確保高可靠的網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)，實現(xiàn)“永遠(yuǎn)在線”的網(wǎng)絡(luò)連接；

　　2） 易用性：網(wǎng)絡(luò)平臺需有不同終端、接入方式的良好兼容性，使計算服務(wù)范圍最大化，同時降低、簡化對用戶終端的設(shè)備的要求，使用戶能以“任何終端、位置、方式”獲得云計算服務(wù)；

　　3） 可擴展性：網(wǎng)絡(luò)平臺必須適應(yīng)云計算發(fā)展，具備可擴展性，能靈活接入新云計算中心、新終端，快速提供服務(wù)。

　　2.1.2 大二層架構(gòu)

　　下一代網(wǎng)絡(luò)平臺使用大二層架構(gòu)，如圖1 所示，分為接入層和核心層。隨著云計算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大、更大的流量帶寬需求，網(wǎng)絡(luò)中間不會再有使轉(zhuǎn)發(fā)性能變低的瓶頸匯聚層。現(xiàn)如今可以說，云計算數(shù)據(jù)中心典型架構(gòu)均為上圖所示的千兆接入，萬兆核心的兩層扁平化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖1 公有云的大二層網(wǎng)絡(luò)平臺架構(gòu)

　　2.2 云計算對下一網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的需求

　　1） 服務(wù)器之間的東西流量將成為主流，網(wǎng)絡(luò)二層流量需求增加。

　　2） 虛擬機以及物理服務(wù)器數(shù)量增加，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)二層拓?fù)鋵⒉粩嘧兇蟆?br>

　　3） 數(shù)據(jù)中心內(nèi)部通信的壓力增大，對網(wǎng)絡(luò)帶寬和延遲有了更高的要求。

　　4） 擴容需求、災(zāi)難備份和虛擬機遷移，數(shù)據(jù)中心多站點間網(wǎng)絡(luò)大二層要求互通。

　　5） 數(shù)據(jù)中心多站點的網(wǎng)絡(luò)選路復(fù)雜性提高。

　　3.云計算網(wǎng)絡(luò)虛擬化和互訪

　　云計算中的虛擬化應(yīng)包括計算的虛擬化、存儲虛擬化和網(wǎng)絡(luò)的虛擬化。隨著計算和存儲的虛擬化不斷實現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的必要性和重要性不斷凸顯，在未來十年中必會成為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的重中之重，其發(fā)展及變化也必將成為引領(lǐng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的演進方向。

　　3.1 網(wǎng)絡(luò)多虛一

　　1） 控制層面虛擬化：是將所有設(shè)備的控制平面合而為一成為一個主體，統(tǒng)一處理整個虛擬交換機的工作，統(tǒng)一管理與接口擴展的需求。從結(jié)構(gòu)控制平面虛擬化又分為縱向即不同層次設(shè)備虛擬化和橫向同一層次設(shè)備虛擬化。

　　2） 網(wǎng)絡(luò)層面虛擬化：使用了TRILL 和SPB 協(xié)議，在二層網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)時，對報文進行外層封裝，以Tag 方式在TRILL/SPB 區(qū)域內(nèi)部轉(zhuǎn)發(fā)，此區(qū)域網(wǎng)絡(luò)形成一個大的虛擬交換機，實現(xiàn)對報文的透明轉(zhuǎn)發(fā)。

　　3.2 網(wǎng)絡(luò)一虛多

　　傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)一虛多技術(shù)包括因特網(wǎng)的VLAN 技術(shù)、IP 的VPN 技術(shù)、FC 的VSAN 技術(shù)等，目前出現(xiàn)的較新的技術(shù)是CISCO 的VDC，最多實現(xiàn)4 個VDC 將物理資源獨立分配。

　　3.3 網(wǎng)卡的虛擬化

　　還有一種網(wǎng)絡(luò)的虛擬化補充技術(shù)是服務(wù)器網(wǎng)卡的IO 虛擬化技術(shù)即SR-IOV，由PCI SIG工作組提出的。SR-IOV 就是要在服務(wù)器物理網(wǎng)卡上，建立多個虛擬IO 通道，并使其能夠直接一一對應(yīng)到多個虛擬機的虛擬網(wǎng)卡上，用以提高虛擬服務(wù)器的轉(zhuǎn)發(fā)效率。

　　3.4 數(shù)據(jù)中心內(nèi)虛擬機之間的網(wǎng)絡(luò)互訪

　　在本文3.1和3.2中，對網(wǎng)絡(luò)虛擬化實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中跨核心服務(wù)器的二層互訪技術(shù)進行剖析，如圖2 中的Network3 所示鏈路，此節(jié)則分析VM（Virtual Machine，虛擬機）之間的互訪技術(shù)，如圖2 中的Network1 所示鏈路。

圖2 云計算數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)互訪

在數(shù)據(jù)中心，服務(wù)器一虛多后內(nèi)部VM之間的互訪越發(fā)頻繁，其在技術(shù)上分為物理服務(wù)器本地互訪和交換機VM 互訪。前者通過VswITch（軟件交換機）解決一臺服務(wù)器內(nèi)部的VM 網(wǎng)絡(luò)互訪，但是缺點是不易管理，同時占用服務(wù)器CPU，降低了效率；后者，是真正意義上的云網(wǎng)絡(luò)接入末端，將網(wǎng)絡(luò)深入到服務(wù)器內(nèi)部，使網(wǎng)絡(luò)形成統(tǒng)一管理和統(tǒng)一交換的平臺，將成為云計算網(wǎng)絡(luò)VM互訪的主流技術(shù)。

　　在管理層面，交換機VM本地互訪是把網(wǎng)絡(luò)中所有與交換、尋址有關(guān)的內(nèi)容都虛擬化成為一臺邏輯的交換機，進而對其進行統(tǒng)一管理；在數(shù)據(jù)層面，交換機為每個VM提供一個虛擬接口，使用服務(wù)器網(wǎng)卡的虛擬化SR-IOV 或者增加交換機做軟件驅(qū)動，主流的技術(shù)體系標(biāo)準(zhǔn)如802.1Qbg 和802.1Qbh。

　　VM之間互訪技術(shù)，會以硬件交換機進入服務(wù)器內(nèi)部為最終方向，或是在網(wǎng)卡上實現(xiàn)，或是直接在主板上加轉(zhuǎn)發(fā)芯片。

　　3.5 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)跨站點的二層互訪和多站點選擇

　　2.5.1 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)跨站點的二層互訪

　　在集中云計算數(shù)據(jù)中心，存在三個或以上多站點服務(wù)器集群計算，以及在分散云情況下，會有虛擬機的遷移變更（VMotion）的需求，此時則需要數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的跨站點二層互訪，如圖2中的Network4所示鏈路。二層網(wǎng)絡(luò)互訪的實現(xiàn)，有三種方式即采用光纖直連的星形或者環(huán)形拓?fù)?、使用MPLS 技術(shù)搭建網(wǎng)絡(luò)、使用安全加密機制的IP 因特網(wǎng)。從性價比、成本節(jié)約和可靠性設(shè)計的角度看，多站點的光纖直連優(yōu)勢明顯，但因目前光纖直連都是各企事業(yè)為某種業(yè)務(wù)單獨建立，缺少公用標(biāo)準(zhǔn)的建立。

　　2.5.2 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)多站點選擇

　　在云計算數(shù)據(jù)中心多站點網(wǎng)絡(luò)里，用戶訪問服務(wù)器存在多站點的選路問題，如圖2 中的Network5 所示鏈路。多站點的選擇方案有兩種，一種DNS 技術(shù)，應(yīng)用全局負(fù)載均衡GSLB技術(shù)和虛擬機遷移技術(shù)實現(xiàn)；一種是基于IP 的路由轉(zhuǎn)發(fā)，利用LSIP（Locator/ID Separation Protocol 位置標(biāo)識/身份標(biāo)識分離協(xié)議技術(shù)實現(xiàn)路由選擇，它提供了一種數(shù)據(jù)包路由方法，可以在不改變終端軟件的前提下實現(xiàn)虛擬機在服務(wù)器之間的無縫遷移。

　　4.云計算數(shù)據(jù)中心后端存儲網(wǎng)絡(luò)

　　4.1 傳統(tǒng)的存儲網(wǎng)絡(luò)

　　傳統(tǒng)的存儲方式包括DAS、NAS、SAN、FC SAN，其中DAS（Direct Attached Storage）是直連磁盤存儲，NAS（Network Attached Storage）是網(wǎng)絡(luò)共享文件服務(wù)器，上升到數(shù)據(jù)中心級別，則出現(xiàn)SAN（Storage Area Network），通過FC 或者TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)，將磁盤陣列注冊于服務(wù)器，模擬成直連存儲，F(xiàn)C SAN 則是目前最主流的霸主技術(shù)。

　　4.2 前后端融合 FCoE

　　因特網(wǎng)與FC的融合，就是FCoE（Fiber Channel over Ethernet）以太網(wǎng)的光纖通道，如圖2 中的Network2 所示鏈路，邊界依然是接入交換。在服務(wù)器物理網(wǎng)卡到接入交換這部分，通過接入交換機，將FC的數(shù)據(jù)承載在某個VLAN 中進行傳輸。FCoE 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可以將光纖通道映射至以太網(wǎng)，同時在以太網(wǎng)信息包內(nèi)插入光纖通道信息，讓服務(wù)器和SAN 存儲設(shè)備之間的光纖通道請求和數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)連接來進行傳輸，即在以太網(wǎng)上傳輸SAN 數(shù)據(jù)。FCoE 后端融合網(wǎng)絡(luò)同時支持LAN 和SAN 數(shù)據(jù)傳輸，減少數(shù)據(jù)中心設(shè)備和線纜數(shù)量，同時降低供電和制冷負(fù)載，收斂成統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)后，減少了支持的點數(shù)，降低管理負(fù)擔(dān)。它同時能夠保護現(xiàn)有投資，提供了一種以FC 存儲協(xié)議為核心的I/O 融合方案。

　　5.云計算與 IPV6

　　云計算的發(fā)展對網(wǎng)絡(luò)安全性提出更高的要求，IPv6 技術(shù)的安全機制、巨大的地址空間、可溯源技術(shù)、定義多播地址等技術(shù)，都在一定程度上改善了網(wǎng)絡(luò)層的安全性，同時在使用IPv6 的網(wǎng)絡(luò)中用戶可以對網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)進行加密并對IP 報文進行校驗，又極大的增強了網(wǎng)絡(luò)的安全性；云計算的發(fā)展使得網(wǎng)絡(luò)規(guī)模進一步擴大，我國物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、三網(wǎng)融合等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都需要海量的IP 地址作為支撐，而IP 地址嚴(yán)重不足，已成為制約我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，IPv6 大大增加了地址空間，是適應(yīng)云網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的方向；另外，IPv6 集成的安全和質(zhì)量的服務(wù)機制，以及自動配置和移動性的支持，更高路由穩(wěn)定性更給云計算網(wǎng)絡(luò)的可管可控以及可靠性帶來保障。

　　結(jié)束語

　　據(jù)統(tǒng)計，IT每大概15年就會發(fā)生一次演變，新需求和創(chuàng)新技術(shù)結(jié)合，使計算方式不斷發(fā)生根本性改變，從大型主機計算到互聯(lián)網(wǎng)，逐漸進入虛擬化時代，云計算、虛擬化、高速增長數(shù)據(jù)、融合和移動性，這些需求不斷選擇著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和發(fā)展方向，作為IT 基礎(chǔ)平臺，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)直接影響著IT 時代軸承上新需求的實現(xiàn)，決定其演變的進程。在虛擬化時代，云計算數(shù)據(jù)中心大二層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)配合相應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)，以其扁平化、高效率、高帶寬、互連互通、擴展靈活、安全可靠的優(yōu)勢，終將成為符合IT 時代特征的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢。

來源：CIO時代網(wǎng)

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