云時代下數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究

馬銘冀　張曉蕾　楊繼家

摘 要：隨著虛擬化、云計算、大數(shù)據(jù)技術(shù)的迅猛發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的變化，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心已不能滿足企業(yè)信息化建設(shè)的需要。云時代下的數(shù)據(jù)中心如何發(fā)展已成為重要的研究課題。文章分別從網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)、數(shù)據(jù)中心對網(wǎng)絡(luò)的需求等方面進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：云時代；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；數(shù)據(jù)技術(shù)

1 數(shù)據(jù)中心的發(fā)展

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心是由傳統(tǒng)機(jī)房發(fā)展而來的，采用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)和IT設(shè)備部署模式，基于煙囪式的建設(shè)模式，為每個業(yè)務(wù)系統(tǒng)采購一套獨立的硬件資源。隨著各個單位和企業(yè)信息化建設(shè)的不斷發(fā)展，逐漸形成了規(guī)模化的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)了IT資源的集中管理和解決了容災(zāi)問題。隨著業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心IT基礎(chǔ)設(shè)施不斷擴(kuò)展。為提升IT架構(gòu)的靈活性和數(shù)據(jù)中心各類資源的利用率，虛擬化技術(shù)在數(shù)據(jù)中心得到了廣泛應(yīng)用。虛擬化屏蔽了物理設(shè)備的異構(gòu)性，使得數(shù)據(jù)中心的IT設(shè)施的靈活性大幅提升，同時也降低了數(shù)據(jù)中心的能耗。隨著云計算、虛擬化等技術(shù)的迅猛發(fā)展，對數(shù)據(jù)中心在資源調(diào)度部署、管理效率、安全性、穩(wěn)定性等方面提出了巨大挑戰(zhàn)，基于云計算的數(shù)據(jù)中心已成為所有IT建設(shè)的重點和核心。

2 云計算對數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的影響

維基百科對云計算的定義是：云計算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計算新方式，通過互聯(lián)網(wǎng)上異構(gòu)、自治的服務(wù)為個人和企業(yè)提供按需即取的計算。云計算數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵技術(shù)是虛擬化和自動化。在這個兩個技術(shù)的影響下，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的變化。它將是一個以10G級以太網(wǎng)為接入和T級以太網(wǎng)為核心、數(shù)據(jù)網(wǎng)和存儲網(wǎng)相互融合、支持虛擬交換、開放、可編程的網(wǎng)絡(luò)。

3 云計算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究

（1）設(shè)計原則。云計算的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)必須基于國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)，包括IEEE制定的支撐虛擬機(jī)邊緣接入的802.1Qbg、802.1Qbh等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以解決云計算帶來的虛擬機(jī)感知、控制以及網(wǎng)絡(luò)邊界等問題；同時能夠按照業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，快速的對網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行擴(kuò)容，滿足用戶對計算、存儲以及網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行分配調(diào)整的需求。（2）通道虛擬化技術(shù)。通常是指對物理網(wǎng)絡(luò)及其組件進(jìn)行抽象，虛擬化出具有獨立的數(shù)據(jù)路徑通道的邏輯網(wǎng)絡(luò)，主要通過VLAN、QINQ、Multi-VRF、MPLS-VPN等技術(shù)實現(xiàn)。（3）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬化技術(shù)。隨著云計算的高速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬化技術(shù)應(yīng)運而生。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬化技術(shù)是將物理上獨立的多臺設(shè)備整合成一臺單一邏輯上的虛擬設(shè)備，或者將一臺設(shè)備虛擬化成多臺邏輯上獨立的虛擬設(shè)備，前者是多虛一技術(shù)，后者是一虛多技術(shù)。各大網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商在2009年先后推出了虛擬化解決方案。H3C提出了專有的設(shè)備虛擬化技術(shù)IRF（Intelligent Resilient Framework，即智能彈性架構(gòu)），它可將實際物理設(shè)備虛擬化為邏輯設(shè)備供用戶使用。而目前的IRF2.0還是一種將多個設(shè)備虛擬為單一設(shè)備使用的通用虛擬化技術(shù)，此技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于高、中、低端多個系列的交換機(jī)設(shè)備，而且通過IRF2.0技術(shù)形成的虛擬設(shè)備具有更高的擴(kuò)展性、可靠性及性能。華為公司提出了CSS（ClusterSwitchSystem，集群交換機(jī)系統(tǒng)）技術(shù)，把多臺支持集群的交換機(jī)鏈接起來，從而組成一臺更大的交換機(jī)。思科公司提出了虛擬交換系統(tǒng)VSS就是一種典型的網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，它實現(xiàn)了將多臺思科交換機(jī)虛擬成單臺交換機(jī)，使設(shè)備可用的端口數(shù)量、轉(zhuǎn)發(fā)能力、性能規(guī)格都倍增。（4）網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)是利用IT虛擬化技術(shù)，將現(xiàn)有的各類網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能整合進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)IT設(shè)備，使傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)元功能可以運行在標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)器硬件之上。其代表技術(shù)有：a.疊加組網(wǎng)技術(shù)，其中VXLAN技術(shù)應(yīng)用最廣泛；b.虛擬化資源調(diào)度技術(shù)，包括虛擬化流量調(diào)度技術(shù)，業(yè)務(wù)鏈調(diào)度技術(shù)。c.虛擬化集群技術(shù)，包括同構(gòu)、異構(gòu)虛擬集群技術(shù)。（5）基于SDN的網(wǎng)絡(luò)虛擬化。SDN改變了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的控制模式， 將網(wǎng)絡(luò)分為控制層（Control Plane）和數(shù)據(jù)層（Data Plane）。網(wǎng)絡(luò)的管理權(quán)限交給了控制層的控制器軟件，通過OpenFlow傳輸通道，統(tǒng)一下達(dá)命令給數(shù)據(jù)層設(shè)備。數(shù)據(jù)層設(shè)備僅依靠控制層的命令轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。SDN技術(shù)極大地推動了網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的發(fā)展進(jìn)程。這個兩者之間是互利的，但又非相互依賴。網(wǎng)絡(luò)功能可以在沒有SDN的配合下實現(xiàn)虛擬化和部署，SDN也同樣如此，可以獨立實現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化與軟件定義網(wǎng)絡(luò)是高度互補，但并不完全相互依賴。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化可以無需SDN獨立實施，不過，這兩個概念及方案是可以配合使用，并能獲得潛在的疊加增值效應(yīng)。SDN 有三種主流實現(xiàn)方式，分別是OpenFlow 組織主導(dǎo)的開源軟件（包括Google，IBM，Citrix 等公司支持），思科主導(dǎo)的應(yīng)用中心基礎(chǔ)設(shè)施（Application CentricInfrastructure，ACI），以及VMware 主導(dǎo)的NSX。

4 云時代下數(shù)據(jù)中心對網(wǎng)絡(luò)的需求

（1）支持服務(wù)器虛擬化和資源自動化遷移。為了解決單一物理服務(wù)器利用率較低，服務(wù)器虛擬化技術(shù)應(yīng)運而生。它使得單臺物理服務(wù)器可以被虛擬成多臺應(yīng)用服務(wù)器，大大提高了物理服務(wù)器的使用效率。同時，虛擬服務(wù)器的遷移不再涉及物理上的搬遷。網(wǎng)絡(luò)層面要支持遷移時用戶的相關(guān)業(yè)務(wù)不中斷，并且可以根據(jù)資源的利用情況動態(tài)的、自動化的完成遷移。（2）提供更高的網(wǎng)絡(luò)承載性能。通過服務(wù)器虛擬化技術(shù)使服務(wù)器的利用率從20%提高到80%，由此帶來的服務(wù)器端口的流量也將大幅提升。這就要求數(shù)據(jù)中心能夠提供更高的網(wǎng)絡(luò)承載性能和網(wǎng)絡(luò)可靠性。（3）支持多租戶，網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模可彈性伸縮。針對不同租戶的業(yè)務(wù)，可以快速配置和創(chuàng)建相互隔離且滿足特定QoS需求的虛擬網(wǎng)絡(luò)。同時，根據(jù)多租戶帶來了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐量的急速增加，及時調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以構(gòu)建無阻塞網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)服務(wù)器快速接入。（4）支持虛擬機(jī)之間網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)控和訪問控制。由于采用的服務(wù)器虛擬化技術(shù)，在某一物理服務(wù)器上運行的虛機(jī)之間的通訊流量只在此服務(wù)器內(nèi)部產(chǎn)生，不在經(jīng)過傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。云計算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有虛擬感知的能力，對這部分通訊流量進(jìn)行監(jiān)控，同時通過虛擬防火墻等技術(shù)實現(xiàn)虛機(jī)之間的訪問防護(hù)，阻止各種惡意流量。（5）網(wǎng)絡(luò)自動化敏捷部署。通過高效的網(wǎng)絡(luò)部署實現(xiàn)面向業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)自動化部署，支撐網(wǎng)絡(luò)策略快速調(diào)整，提升業(yè)務(wù)上線周期。（6）彈性可擴(kuò)展的大二層網(wǎng)絡(luò)，跨數(shù)據(jù)中心鏈路調(diào)優(yōu)。針對云計算的可遷移、可復(fù)制特點，云計算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)應(yīng)支持大二層的組網(wǎng)，支持虛擬機(jī)在數(shù)據(jù)中心內(nèi)和跨數(shù)據(jù)中心之間遷移前后的IP地址保持一致，保障業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

5 結(jié)束語

各行各業(yè)的數(shù)據(jù)中心建設(shè)經(jīng)歷了大集中階段、虛擬化階段后，目前大部分處在從虛擬化階段向云計算階段轉(zhuǎn)型的過程中。隨著新的虛擬化技術(shù)不斷的優(yōu)化與進(jìn)步，在網(wǎng)絡(luò)虛擬化和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬化技術(shù)基礎(chǔ)上，基于SDN技術(shù)架構(gòu)實現(xiàn)統(tǒng)一資源調(diào)度，構(gòu)建大二層、彈性靈活、可自動化部署的云計算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)將是未來的發(fā)展趨勢。

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