萬物互聯(lián)時代的計算機網(wǎng)絡教學探討
——以云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡架構(gòu)為例

任大偉

（河北省機電工程技師學院，河北 張家口 075000）

0 引言

萬物互聯(lián)時代的到來，促進了云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的構(gòu)建與應用[1]。不同于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡架構(gòu)，云數(shù)據(jù)中心需要應對諸多新技術、新模式、新應用所帶來的巨大挑戰(zhàn)，也給計算機網(wǎng)絡技術教育和工程人員帶來了新的研究課題[2]。數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡架構(gòu)和運行維護作為直接面對萬物互聯(lián)的數(shù)據(jù)平臺和信息樞紐，所面臨的革新和挑戰(zhàn)往往更加突出。數(shù)據(jù)中心被認為是當今信息社會基礎設施的一種重要形式，它們是云計算和服務革命的核心，云計算和服務革命改變了企業(yè)處理IT基礎設施成本的商業(yè)模式。混合數(shù)據(jù)中心體系結(jié)構(gòu)包含傳統(tǒng)基礎架構(gòu)和完全虛擬化的基礎架構(gòu)[3-5]。一方面，復合基礎架構(gòu)通過增加靈活性和可擴展性因素提高了資源利用率和整合，使數(shù)據(jù)中心更具成本效益和更靈活。另一方面，混合基礎設施帶來了一系列新的安全挑戰(zhàn)，需要予以關注。

1 云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡架構(gòu)的提出與發(fā)展

萬物互聯(lián)所提出的云存儲、云計算、云服務等新業(yè)態(tài)模式，要求數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡向云平臺架構(gòu)快速過度和遷移。規(guī)模龐大的數(shù)據(jù)和服務資源采用泛在方式接入云數(shù)據(jù)中心并進行池化處理后，用戶可對存儲、計算、服務等資源根據(jù)需要隨時自助取用并支付相應的成本，這種云模式要求數(shù)據(jù)中心能夠支持資源的快速申請和釋放，并自動化地度量、監(jiān)控和優(yōu)化管理所有的服務資源。云數(shù)據(jù)中心的物理和邏輯網(wǎng)絡必須采用更加優(yōu)化的路由協(xié)議和組網(wǎng)方式，充分利用虛擬化技術進行功能組件和業(yè)務模型的抽象和實現(xiàn)，從而支持業(yè)務模型和網(wǎng)絡資源的映射。除此之外，對于多數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡，還需要設計Multi-Site或者Multi-PoD解決方案，以應對多中心的云數(shù)據(jù)應用場景需求。在云平臺架構(gòu)下，對于數(shù)據(jù)中心的設計和管理已經(jīng)進入虛擬數(shù)據(jù)中心和云時代。云突出顯示了通過互聯(lián)網(wǎng)提供的外包IT基礎設施，其中處理和存儲服務在數(shù)據(jù)中心級別執(zhí)行，虛擬數(shù)據(jù)中心不會在本地計算機上執(zhí)行，而是在由第三方IT服務運營的分布式安裝中執(zhí)行。云正以指數(shù)級增長，可以部署能夠承載百萬臺服務器的巨型數(shù)據(jù)中心，以滿足客戶不斷增長的需求。云架構(gòu)依賴于單片或地理分布的數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心包含一組分散在機架中的服務器，通過虛擬化，服務器被劃分為虛擬化元素（VM和/或容器）。

無線傳感技術和高性能計算的快速發(fā)展帶來了數(shù)據(jù)爆炸式的增長，不斷膨脹的數(shù)據(jù)匯聚到云數(shù)據(jù)中心，中心內(nèi)部服務器之間的數(shù)據(jù)流量已經(jīng)占據(jù)數(shù)據(jù)總流量的大部分。傳統(tǒng)的樹狀網(wǎng)絡架構(gòu)不再滿足要求，需要重新構(gòu)建和整合分布式網(wǎng)絡架構(gòu)，實現(xiàn)云數(shù)據(jù)中心服務器之間的動態(tài)負載均衡和優(yōu)化調(diào)度策略。同時，多模態(tài)、異構(gòu)數(shù)據(jù)并存的大數(shù)據(jù)應用也要求數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡在控制層面和數(shù)據(jù)層面滿足數(shù)據(jù)處理需求。隨著云計算的出現(xiàn)，出現(xiàn)了幾種服務模式，這些模式提出按需使用在硬件和軟件級別提供和維護的資源。NIST（國家標準與技術研究所）認可的三種模型是SaaS、PaaS和IaaS。此外，還有許多其他已知的服務，如容器即服務（CaaS），這是介于PaaS和IaaS之間的最新服務趨勢。此外，數(shù)據(jù)庫即服務（DBaaS）是一種基于云的數(shù)據(jù)庫，優(yōu)于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，如MongoDB、IBM和Oracle。

2 云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的關鍵技術

虛擬化是催生云計算最重要的技術之一，它允許在云系統(tǒng)中共享資源，允許多個應用程序在不同平臺上運行。通過虛擬化技術可以模擬具有多個執(zhí)行環(huán)境的部分或完整機器來劃分硬件資源，這些執(zhí)行環(huán)境可以充當隔離系統(tǒng)。相反，在傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中，每臺物理機器只支持一個本機安裝的操作系統(tǒng)，以實現(xiàn)穩(wěn)定性和一致性。本機環(huán)境比虛擬環(huán)境快，在后者中CPU利用率可以增加40%～60%。然而，與傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)相比，在虛擬化環(huán)境中分配的資源更接近實際任務的需求，傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中，整個主機專門用于運行相同的任務。云計算中有許多類型和級別的虛擬化，如網(wǎng)絡虛擬化、存儲虛擬化等。虛擬機是云中基礎設施級別的主干，由仿真軟件創(chuàng)建并執(zhí)行應用程序的計算機設備鏡像。基于虛擬機的虛擬化是云環(huán)境中最常用的技術，在云環(huán)境中，物理資源通過虛擬機監(jiān)控程序虛擬地分布在硬件級別。虛擬機監(jiān)控程序或虛擬機監(jiān)視器允許多個操作系統(tǒng)通過虛擬機共享一個計算資源。管理層負責管理和控制運行獨立操作系統(tǒng)的所有實例化虛擬機。虛擬化的第二個層次，值得重點關注的是基于容器概念的輕量級操作系統(tǒng)級虛擬化。容器可以被認為是云時代的一場新革命，它們包含打包的、自包含的、隨時可以部署的應用程序部分及其所有依賴項。容器化環(huán)境由容器引擎和任意數(shù)量的獨立用戶空間或容器實例組成，它們都托管在同一臺機器上，共享操作系統(tǒng)內(nèi)核，包括根文件系統(tǒng)、庫和公共文件。

萬物互聯(lián)所促進的人工智能算法快速發(fā)展要求數(shù)據(jù)中心在數(shù)據(jù)安全、業(yè)務管理、流程實現(xiàn)等方面提供更好的支撐。云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡架構(gòu)需要支持日新月異的人工智能算法模型和流程，快速發(fā)展的高性能與智能計算技術給數(shù)據(jù)中心提出了更高的功能和性能要求，數(shù)據(jù)中心除了要具備以往的數(shù)據(jù)管理和資源協(xié)調(diào)能力，也要不斷提升計算能力，在容器管理、AI Fabric技術方面提供更優(yōu)化的組件和服務。同時，云數(shù)據(jù)中心在網(wǎng)絡架構(gòu)設計過程中必須在虛擬化安全、網(wǎng)絡安全、威脅檢測防御、邊界安全等端到端的數(shù)據(jù)安全管理方面提供完備的解決方案。現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心基礎設施正從只有物理基礎設施的傳統(tǒng)模式轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砗吞摂M基礎設施的混合模式，基于混合模型的數(shù)據(jù)中心新設計強調(diào)可伸縮性、靈活性和敏捷性的設計原則，擁有一個可擴展且靈活的數(shù)據(jù)研究中心的動機是技術和經(jīng)濟。當工作負載發(fā)生變化或設備出現(xiàn)故障時，在服務之間動態(tài)地重新分配服務器是有益的，這樣可以實現(xiàn)高利用率并降低成本。關鍵問題是數(shù)據(jù)中心的敏捷性，其中為任何服務提供資源的能力是重點。虛擬化提供的抽象功能有助于物理資源與其邏輯表示空間的分離。混合數(shù)據(jù)中心的靈活性和可擴展性集中在管理程序、虛擬機、軟件定義網(wǎng)絡控制器和虛擬網(wǎng)絡等組件上。這些虛擬化組件是所賦予的敏捷性的核心，盡管效率不斷提高，但仍存在各種各樣的安全挑戰(zhàn)。

3 云數(shù)據(jù)中心的應用

云數(shù)據(jù)中心在實踐應用過程中的風險評估至關重要，它是組織實施數(shù)據(jù)中心建設的一項基本實踐，包括識別、分析、評估和消除影響過程連續(xù)性的風險。數(shù)據(jù)中心基礎設施經(jīng)歷了一個巨大的演變過程，信息在當今社會中所扮演的角色使得這些設施所扮演的角色更加突出。數(shù)據(jù)中心被定義為一個集中的設施，它容納組織中最關鍵的計算、網(wǎng)絡和存儲設備，這些系統(tǒng)對于大多數(shù)業(yè)務的運營連續(xù)性至關重要。今天的數(shù)據(jù)中心是由一排由模塊化服務器、交換設備和存儲磁盤組成的連接機架構(gòu)成的，每個機架都有能力支持多達16個模塊化機架的安裝。數(shù)據(jù)中心由各種元素組成，現(xiàn)代基礎設施包括多個抽象層。從根本上說，所有數(shù)據(jù)中心都由計算、網(wǎng)絡和存儲組件組成，但它們也包括其他非計算元素，以促進基礎設施的正常運行，如支持基礎設施、IT基礎設施和運營人員。設施代表可用于存放設備的物理場所，設施的結(jié)構(gòu)和構(gòu)建對于確定可擴展性等因素至關重要，而冷卻機制是數(shù)據(jù)中心的關鍵性能參數(shù)之一；數(shù)據(jù)中心IT基礎設施由負責提供底層計算、網(wǎng)絡和存儲容量的服務器、交換機和其他IT相關設備組成；運營人員負責管理數(shù)據(jù)中心基礎設施的日常運營，典型的部門角色包括網(wǎng)絡工程人員、數(shù)據(jù)庫管理員和應用程序開發(fā)人員。

本文簡單回顧了云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的發(fā)展歷史以及相關的云計算、虛擬化、SDN等核心技術概念，并提出了數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的展望。接著，從大數(shù)據(jù)管道、網(wǎng)絡資源池化和自動化、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡安全等方面分析了云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡所面臨的挑戰(zhàn)，并分別從數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡架構(gòu)技術演變和功能業(yè)務組件模型角度闡述了云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的基礎架構(gòu)和共性核心技術。除此之外，本文還介紹了構(gòu)建數(shù)據(jù)中心的物理網(wǎng)絡，包括數(shù)據(jù)中心的邏輯網(wǎng)絡構(gòu)建技術，這部分是數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡架構(gòu)和構(gòu)建技術的重點和難點；以及多個數(shù)據(jù)中心并存的網(wǎng)絡架構(gòu)，并介紹了Multi-Site和Multi-PoD兩種代表性場景和設計方案。從數(shù)據(jù)安全和網(wǎng)絡架構(gòu)角度重點分析了虛擬化安全、網(wǎng)絡安全、高級威脅檢測防御、邊界安全以及安全管理等技術內(nèi)容。結(jié)合作者在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡教學和工程實踐方面多年的經(jīng)驗和技術積累，從部署規(guī)劃、部署過程介紹了云數(shù)據(jù)中心部署的成熟實踐。

4 結(jié)語

云數(shù)據(jù)中心作為當前先進的網(wǎng)絡架構(gòu)，已經(jīng)吸引了越來越多的研究人員和工程技術人員進行深入分析和實踐。本文以云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡架構(gòu)為例進行探討，既包括技術理論細節(jié)，又涵蓋了工程實踐解決方案，對培養(yǎng)計算機網(wǎng)絡技術人才，尤其是云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡設計和實施專業(yè)化人才的教學改革有一定的借鑒價值。