數據中心網絡組網架構的趨勢

趙紅

【摘要】數據中心是數據的傳輸、計算和存儲的中心，集中了各種軟硬件資源和關鍵業務系統，面臨異構環境問題、業務融合問題、管理規范等非常復雜的問題，給數據中心的管理帶來了巨大挑戰，如何構建新一代數據中心網絡成為時代主題。

【關鍵詞】數據中心；網絡結構；無線DDN；SDN網絡

Trends in Data Center Network Architecture

Zhao Hong

（Tianyuan Ruixin Communication Technology Co.， LtdXi'anShaanxi710075）

【Abstract】The data center is the center of data transmission， computing and storage， which focuses on various hardware and software resources and key business systems， which are faced with problems such as heterogeneous environment problems， business integration problems and management specifications， and bring data management to the data center. A great challenge， how to build a new generation of data center network to become the theme of the times.

【Key words】Data center；Network structure；Wireless DDN；SDN network

1. 前言

（1）“數據中心”是一整套復雜的設施，它不僅僅包括計算機系統和其它與之配套的設備（例如通信和存儲系統），還包含冗余的數據通信連接、環境控制設備、監控設備以及各種安全裝置。[1]谷歌在其發布的《The Datacenter as a Computer》一書中，將數據中心解釋為“多功能的建筑物”，能容納多個服務器 以及通信設備。這些設備被放置在一起是因為它們具有相同的對環境的要求以及物理安全上的需求，并且這樣放置便于維護，而“并不僅僅是一些服務器的集合”[2]。

（2）采用internet接入時，只需要一臺能上網的PC加數據中心軟件即可。文中路由器指的是一般公司上網時是通過路由器上網的，此時須在路由器上做一些設置。也可直接把寬帶接入線接至PC中來實現。不需要ISP開通服務。但在根據獲取的外網IP地址及方式選擇采用合適的動態域名軟件（見圖1）。

2. 組網結構

無線DDN系統分為監測點和數據中心兩部分，監測點采用GPRS DTU，可提供RS-232、RS485、以及以太網接口，數據中采用寬帶ADSL或專線方式接入Internet，具體接入方式如下：

2.1監測點接入方式：監測點通過RS-232、RS485或以太網接口與GPRS DTU傳輸模塊連接，然后設置DTU相關參數，每一個GPRS DTU傳輸模塊裝入一個中國移動的數據SIM卡即可。

2.2數據中心接入方式：數據中心接入主要分兩大類：

（1）采用Internet接入 數據中心采用寬帶ADSL接入方式，此種方式優點是帶寬大、費用經濟。缺點是安全性較差、延時比專線接入稍大。采用局域網共享上網方式，此種方式基本同ADSL接入類似，但注意接入時需做端口映射。采用電話線撥號上網方式。此種方式接入帶寬較窄。所以只適合于點數較少，且數據量小的組網方式。網絡拓撲圖如下（見圖2）：

（2）移動公司接入數據中心采用無線網絡運營商（指中國移動）提供信道接入，此種方式實際中有以下幾種連接方式：采用移動公司機房專線接入方式，此種方式帶寬大（一般為2M），對延時、安全性都非常好，但租用此專線價格較貴。特別適合銀行、POS機組網等需安全系數較高的用戶，對子站非常多的情況下也推薦采用此種方式。采用GPRS無線接入方式，此種方式在數據中心接一臺GPRS MODEM，通過數據中心的PC機撥號上網。優點是組網訊速，費用經濟。缺點是帶寬窄（GPRS上行10Kbps，下行40Kbps），延時大。這種方式在測試時用的比較多。如果準備在實際工程中使用需注意SIM卡需申請APN。

3. 數據中心網絡的新變化

根據中國互聯網絡信息中心（CNNIC）近期發布的第39次《中國互聯網絡發展狀況統計報告》，截至2016年12月，我國網民規模達7.31億，全年共計新增網民4299萬人?；ヂ摼W普及率為53.2%，較2015年底提升2.9個百分點。中國網民規模已經相當于歐洲人口總量。大量網民的涌入必然帶來網絡流量的急劇膨脹。對于互聯網企業，承載具體應用的數據中心的計算資源及網絡節點常常滿負荷運轉；而對于傳統企業，隨著自身業務量的增加，以及各類業務互聯網化的需求，對數據中心的整體的吞吐量也提出了新的要求（見圖3）。

3.1服務器萬兆網絡接入漸成主流。

受成本、以及技術成熟度制約，傳統數據中心以千兆接入為主。隨著CPU計算能力的不斷提高，目前主流的服務器處理性能，已經超出了千兆網卡的輸出能力。同時，FC存儲網絡與IP網絡的融合，也要求IP網絡的接入速率達到FC的性能要求。當僅僅通過鏈路聚合、增加等價路徑等技術手段已經無法滿足業務對網絡性能的需求時，提高網絡端口速率成為必然之選。

3.2數據中心流量模型發生顯著變化。

傳統的數據中心內，服務器主要用于對外提供業務訪問，不同的業務通過安全分區及VLAN隔離。一個分區通常集中了該業務所需的計算、網絡及存儲資源，不同的分區之間或者禁止互訪，或者經由核心交換通過三層網絡交互，數據中心的網絡流量大部分集中于南北向。

在這種設計下，不同分區間計算資源無法共享，資源利用率低下的問題越來越突出。通過虛擬化技術、云計算管理技術等，將各個分區間的資源進行池化，實現數據中心內資源的有效利用。而隨著這些新技術的興起和應用，新的業務需求如虛擬機遷移、數據同步、數據備份、協同計算等在數據中心內開始實現部署，數據中心內部東西向流量開始大幅度增加。

3.3物理二層向邏輯二層轉變。

（1）在虛擬化初期，虛擬機管理及遷移主要依靠物理的網絡，由于遷移本身要求二層網絡，因此數據中心內部東西向流量主要是二層流量。為增加二層物理網絡的規模，并提高鏈路利用率，出現了TRILL、SPB等大二層網絡技術。

（2）隨著虛擬化數據中心規模的擴大，以及云化管理的深入，物理網絡的種種限制越來越不適應虛擬化的要求，由此提出了VXLAN、NVGRE等網絡Overlay方案，在這一方案下，物理網絡中的東西向流量類型也逐漸由二層向三層轉變，通過增加封裝，將網絡拓撲由物理二層變為邏輯二層，同時提供邏輯二層的劃分管理，更好的滿足了多租戶的需求。

3.4越來越多的網絡扁平化需求。

（1）隨著虛擬化技術的進步，每臺物理服務器的虛擬機數量由8臺提升至16臺、32臺甚至更多，這使得低延遲的服務器間通信和更高的雙向帶寬需求變得更加迫切。然而傳統的網絡核心、匯聚和接入的三層結構，服務器虛擬化后還有一個虛擬交換機層，而隨著刀片服務器的廣泛應用，刀片式交換機也給網絡添加了一層交換。如此之多的網絡層次，使得數據中心計算節點間通信延時大幅增加，這就需要網絡化架構向扁平化方向發展，最終的目標是在任意兩點之間盡量減少網絡架構的數目。

（2）網絡扁平化后，減少了中間層次，對核心設備交換能力要求降低，對于數據中心而言，后續擴容只需要以標準的機柜（包含服務器及柜頂交換單元）為單位增加即可，這樣既滿足了數據中心收斂比的要求，又能滿足服務器快速上線需要。扁平化成為互聯網企業網絡設計不斷追求的目標。

4. 未來彈性、自適應的數據中心網絡

（1）我們同樣看到，物理網絡架構改變后一些問題仍然存在，僅僅依靠對傳統技術的修修補補已經無法滿足未來數據中心網絡的需求。

（2）數據中心規模越來越大，給運維管理帶來壓力?，F代（特別是大型互聯網企業）的數據中心，規模越來越大（如騰訊、天津濱海數據中心，一期規模8萬臺服務器，規劃規模達到20萬臺），所需要的網絡設備數量相當驚人。除了各個層次大量的交換機外，可能還需要部署防火墻、防攻擊設備、負載均衡、流量清洗等等網絡安全設備，設備類型也會越來越豐富。同時，這些網絡設備來自不同的廠家，擁有不一樣的操作方式。這些對運維人員的能力提出了更高的要求。

（3）經過多年的發展，SDN為解決這些難題提供了可行的解決方案。它通過集中的控制器來實現對整網設備的監控和管理，利用軟件的靈活、動態可擴展，提供豐富的管理控制策略，通過開放相關API，可以集成第三方APP，實現更多的個性化的網絡控制。

5. 結束語

我們很快就會看到，新的數據中心采用云計算技術對所有虛擬計算資源集中管理，Fabric架構的網絡無縫實現了數據中心各個區域的互聯，基于Overlay的二層網絡實現了虛擬機的流暢遷移，集中化的SDN網絡控制器提供對數據中心整網的監控，各種流量根據數據中心當前網絡狀況實時切換經由路徑，偌大的數據中心內，寥寥數人便完成了全部的運維管理。我們相信，這就是將來的數據中心的工作情景。