云計(jì)算的統(tǒng)一基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)

云的基本特征是動(dòng)態(tài)、彈性、靈活，按需計(jì)算，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與技術(shù)雖然也能構(gòu)筑云計(jì)算的基礎(chǔ)平臺(tái)，但是因此而形成的傳統(tǒng)運(yùn)行架構(gòu)卻無法支撐如此動(dòng)態(tài)化的IT業(yè)務(wù)要求。它必然要求一種新的IT運(yùn)行模式，將大量的計(jì)算資源以動(dòng)態(tài)、按需的服務(wù)方式供應(yīng)和部署。

一、 云計(jì)算的基礎(chǔ)架構(gòu)挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)下，由于多種技術(shù)之間的孤立性(LAN與SAN)，使得數(shù)據(jù)中心服務(wù)器總是提供多個(gè)對(duì)外IO接口：用于數(shù)據(jù)計(jì)算與交互的LAN接口以及數(shù)據(jù)訪問的存儲(chǔ)接口，某些特殊環(huán)境如特定HPC(高性能計(jì)算)環(huán)境下的超低時(shí)延接口。服務(wù)器的多個(gè)IO接口導(dǎo)致了數(shù)據(jù)中心環(huán)境下多個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)同時(shí)存在，不僅使得數(shù)據(jù)中心布線復(fù)雜，不同的網(wǎng)絡(luò)、接口形體造成的異構(gòu)還直接增加了額外人員的運(yùn)行維護(hù)、培訓(xùn)管理等高昂成本投入，特別是存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的低兼容性特點(diǎn)，使得數(shù)據(jù)中心的業(yè)務(wù)擴(kuò)展往往存在約束。

由于傳統(tǒng)應(yīng)用對(duì)IT資源的獨(dú)占性(如單個(gè)應(yīng)用獨(dú)占服務(wù)器)，使得數(shù)據(jù)中心的業(yè)務(wù)密度低，造成有限的物理空間難以滿足業(yè)務(wù)快速發(fā)展要求，而已有的系統(tǒng)則資源利用效率低下。而且，傳統(tǒng)業(yè)務(wù)模式下，由于規(guī)模小，業(yè)務(wù)遵循按需規(guī)劃，企業(yè)應(yīng)用部署過程復(fù)雜、周期漫長，難以滿足靈活的IT運(yùn)行要求。在云計(jì)算這種變革性運(yùn)營與服務(wù)模式下，必須能夠解決成本、彈性、按需增長的業(yè)務(wù)要求，并改進(jìn)與優(yōu)化IT運(yùn)行架構(gòu)。因此：

云計(jì)算服務(wù)必然要求一種大規(guī)模的IT運(yùn)行方式，在極大程度上降低云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施的單位建設(shè)成本，大幅降低運(yùn)行維護(hù)的單位投入成本。通過網(wǎng)絡(luò)與IO的整合來消除數(shù)據(jù)中心的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)與接口環(huán)境，云計(jì)算中心需要優(yōu)化、簡化的布線與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

由于其業(yè)務(wù)集中度、服務(wù)的客戶數(shù)量遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的企業(yè)數(shù)據(jù)中心，導(dǎo)致了高帶寬的業(yè)務(wù)流，如圖1所示的亞馬遜對(duì)外公布其2008年提供云計(jì)算服務(wù)后，云服務(wù)的帶寬增長速度遠(yuǎn)高于其WEB服務(wù)的帶寬增長。

圖1 亞馬遜的云計(jì)算服務(wù)高速帶寬增長需求

總的來說，為滿足云計(jì)算的業(yè)務(wù)要求，統(tǒng)一的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)要素必然包括：超高速交換、統(tǒng)一交換、虛擬化交換、透明化交換。

二、 云的統(tǒng)一基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)

1. 云計(jì)算的超高速網(wǎng)絡(luò)

以太網(wǎng)技術(shù)迅速發(fā)展，10GE技術(shù)當(dāng)前已經(jīng)在數(shù)據(jù)中心的骨干廣泛應(yīng)用，圖2顯示了2010年的以太網(wǎng)技術(shù)40G/100G標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，表明基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)將快速進(jìn)入超高速時(shí)代。

圖2 以太網(wǎng)的帶寬提升

同樣，服務(wù)器IO也由千兆向萬兆快速發(fā)展，隨著IO加速技術(shù)、IO虛擬化技術(shù)的不斷提升以及服務(wù)器多路多核計(jì)算能力的提升，當(dāng)前的服務(wù)器IO已經(jīng)具備接近10GE線速的吞吐能力，這種來自網(wǎng)絡(luò)接入層的高性能吞吐必然驅(qū)動(dòng)云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用更高的性能，以滿足能力的匹配（如圖3所示）。

圖3 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的高帶寬發(fā)展

2. 云計(jì)算的統(tǒng)一交換網(wǎng)絡(luò)

以太網(wǎng)原本是以簡單、高效為特質(zhì)的常規(guī)技術(shù)，適用于常規(guī)網(wǎng)絡(luò)通信的支撐，依賴于上層協(xié)議解決網(wǎng)絡(luò)擁塞、丟包問題。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷演進(jìn)與提升，無損以太網(wǎng)技術(shù)(Lossless Ethernet)標(biāo)準(zhǔn)族開始確立。

這一標(biāo)準(zhǔn)族稱為數(shù)據(jù)中心以太網(wǎng)DCE或融合增強(qiáng)以太網(wǎng)CEE，包括基于優(yōu)先級(jí)的流控(Priority-based flow control PFC; IEEE 802.1Qbb) 、增強(qiáng)傳輸選擇技術(shù)(Enhanced transmission selection ETS; IEEE 802.1Qaz) 、擁塞通告(Congestion notification IEEE 802.1Qau) 、鏈路發(fā)現(xiàn)協(xié)議LLDP (IEEE 802.1AB)的擴(kuò)展數(shù)據(jù)中心橋能力交換協(xié)議(Data Center Bridging Capability Exchange Protocol DCBX)。以當(dāng)前已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)的PFC+DCBX組合為例，如圖4所示，在交換機(jī)端口的8個(gè)隊(duì)列進(jìn)行buffer的分配，形成了網(wǎng)絡(luò)中8個(gè)虛擬化通道，數(shù)據(jù)流帶上自身的通道標(biāo)簽(802.1q進(jìn)行標(biāo)識(shí))，buffer大小使得各隊(duì)列有不同的數(shù)據(jù)緩存能力，由DCBX協(xié)議交換不同網(wǎng)絡(luò)單元的基本能力信息，以確定數(shù)據(jù)的突發(fā)能力。

圖4 無丟包以太網(wǎng)

一旦出現(xiàn)瞬時(shí)擁塞，即某個(gè)設(shè)備的隊(duì)列緩存消耗較快，超過一定閾值(可設(shè)定為端口隊(duì)列的1/2、3/4等比例)，設(shè)備即向數(shù)據(jù)進(jìn)入的方向(上游設(shè)備)發(fā)送反壓信息，上游設(shè)備接收到反壓信息，會(huì)根據(jù)反壓信息指示停止發(fā)送或延遲發(fā)送數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地端口buffer，如果本地端口buffer消耗超過閾值，則繼續(xù)向上游反壓，如此一級(jí)級(jí)反壓，直到網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備，從而消除網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)因擁塞造成的丟包。

無損以太網(wǎng)的特性，可以完全滿足存儲(chǔ)業(yè)務(wù)對(duì)于丟包的敏感性，因此，F(xiàn)C存儲(chǔ)數(shù)據(jù)承載在以太網(wǎng)上(FCoE)，基于DCE技術(shù)的支持，新一代以太網(wǎng)技術(shù)完全可以融合數(shù)據(jù)中心的存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)形成全業(yè)務(wù)的統(tǒng)一交換。在這樣的技術(shù)支撐下，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)將實(shí)現(xiàn)合并，使得原本多種異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)合并到一套網(wǎng)絡(luò)，從而也實(shí)現(xiàn)了多個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理合并、簡化成為一個(gè)管理視圖(如圖5所示)。

圖5 數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一交換網(wǎng)絡(luò)

以太網(wǎng)帶寬的增長使得在兼容后續(xù)FC更高帶寬8G、16G的FCoE技術(shù)成為可能，如圖6所示，當(dāng)前的10GE DCE技術(shù)支撐的FCoE可完全支持4G/8G FC向10G FCoE的融合，有些網(wǎng)卡的FC-FCoE映射就是直接將4G/8G FC載入以太網(wǎng)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。對(duì)于后續(xù)更高帶寬的40G以太網(wǎng)技術(shù)會(huì)延續(xù)和完善DCE特性，因此可對(duì)更高的FC帶寬16G進(jìn)行融合。

圖6 FCoE的融合趨勢

統(tǒng)一交換網(wǎng)絡(luò)提供對(duì)云計(jì)算的支撐，可提供單一數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)云計(jì)算上層應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)交換、傳送通道與IO的簡化統(tǒng)一操作，同質(zhì)的底層網(wǎng)絡(luò)提供超高容量數(shù)據(jù)吞吐支撐、提供廣泛兼容的云應(yīng)用升級(jí)與擴(kuò)展能力。

3. 云計(jì)算的虛擬化交換網(wǎng)絡(luò)

虛擬化技術(shù)是云計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)之一，將一臺(tái)物理服務(wù)器虛擬化成多臺(tái)邏輯虛擬機(jī)VM，不僅可以大大提升云計(jì)算環(huán)境IT計(jì)算資源的利用效率、節(jié)省能耗，同時(shí)虛擬化技術(shù)提供的動(dòng)態(tài)遷移、資源調(diào)度，使得云計(jì)算服務(wù)的負(fù)載可以得到高效管理、擴(kuò)展，云計(jì)算的服務(wù)更具有彈性和靈活性。

從網(wǎng)絡(luò)角度看虛擬化的計(jì)算資源，，一個(gè)VM完全等效于一臺(tái)物理服務(wù)器在運(yùn)行，而VM的動(dòng)態(tài)機(jī)制，則與物理服務(wù)器的位置搬遷是完全不一樣的，對(duì)于VM遷移帶來的網(wǎng)絡(luò)配置、統(tǒng)計(jì)、策略控制等復(fù)雜管理工作，使得當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維難度增大，因此，網(wǎng)絡(luò)支持虛擬交換技術(shù)，對(duì)于遷移的VM而言，網(wǎng)絡(luò)總可以跟隨VM的動(dòng)態(tài)變化提供按需交換(配置、統(tǒng)計(jì)、監(jiān)控、管理)，能夠極大強(qiáng)化云計(jì)算的虛擬化服務(wù)功能（如圖7所示）。

圖7 虛擬化交換網(wǎng)絡(luò)

一種新的網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)EVB(Edge Virtual Bridging：IEEE 802.1Qbg)標(biāo)準(zhǔn)正在制訂，這種技術(shù)使得虛擬化后服務(wù)器上VM的虛擬網(wǎng)卡標(biāo)準(zhǔn)化，并以擴(kuò)展的LLDP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)交換VM信息。EVB要求所有VM數(shù)據(jù)的交換(即使位于同一物理服務(wù)器內(nèi)部)都通過外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行，即外部網(wǎng)絡(luò)能夠支持虛擬交換功能，對(duì)于虛擬交換網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)VM動(dòng)態(tài)遷移、調(diào)度信息，均通過LLDP擴(kuò)展協(xié)議得到同步以簡化運(yùn)維。

4. 云計(jì)算的透明化交換網(wǎng)絡(luò)

對(duì)于虛擬化云計(jì)算服務(wù)，需要構(gòu)建大范圍(數(shù)據(jù)中心內(nèi)部、數(shù)據(jù)中心之間)的二層互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，以支持虛擬機(jī)算資源的遷移和調(diào)度(對(duì)于大型集群計(jì)算，也可構(gòu)建二層網(wǎng)絡(luò)，以保持集群的簡單，但目前也有構(gòu)建路由網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)現(xiàn)大型集群)。二層網(wǎng)絡(luò)的好處是對(duì)虛擬機(jī)的透明化，但是為保證網(wǎng)絡(luò)的高性能、可靠性，需要解決網(wǎng)絡(luò)環(huán)路問題。

數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，通過采用IRF2技術(shù)（智能彈性架構(gòu)），可以構(gòu)建大型的二層透明交換網(wǎng)絡(luò)，具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、保持高性能與高可靠、避免環(huán)路的好處。在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，構(gòu)建端到端的IRF2虛擬化網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部虛擬化計(jì)算的透明交互（如圖8左側(cè)圖所示）；構(gòu)建IRF2核心網(wǎng)，核心網(wǎng)設(shè)備位于不同地域，但是虛擬化成一臺(tái)邏輯設(shè)備，數(shù)據(jù)中心與核心網(wǎng)以跨地域聚合鏈路互聯(lián)，消除了網(wǎng)絡(luò)環(huán)路，也保證了網(wǎng)絡(luò)的可靠性和鏈路充分利用（如圖8右側(cè)圖所示）。

圖8 基于IRF2的云計(jì)算透明交換網(wǎng)

目前為解決網(wǎng)絡(luò)的二層透明環(huán)境部署問題，一種新技術(shù)TRILL(Transparent Interconnection of Lots of Links多鏈路透明互聯(lián))正在形成標(biāo)準(zhǔn)，這種技術(shù)的本質(zhì)是改造交換技術(shù)和IS-IS路由技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在IS-IS路由網(wǎng)絡(luò)下的大規(guī)模二層交換承載（如圖9所示）。
 

圖9 基于TRILL的透明交換網(wǎng)絡(luò)

TRILL網(wǎng)絡(luò)的鏈路層可以是以太網(wǎng)，也可以是PPP鏈路，因此這種新的標(biāo)準(zhǔn)具有很大的適應(yīng)性，可在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部高速網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，也可以用于連接基于PPP鏈路的廣域網(wǎng)絡(luò)。

三、結(jié)束語

云計(jì)算作為一種新型的IT運(yùn)行模式，要求新的架構(gòu)來支持其不斷發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)云服務(wù)的彈性、動(dòng)態(tài)等關(guān)鍵需求，而其支撐網(wǎng)絡(luò)也必然會(huì)形成統(tǒng)一的基礎(chǔ)架構(gòu)，超高速、統(tǒng)一交換、虛擬交換、透明交換等新的技術(shù)特性會(huì)隨著技術(shù)的逐步成熟廣泛應(yīng)用到云計(jì)算中。

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