引言

    在云計算的環(huán)境下，計算資源、網(wǎng)絡(luò)資源和存儲資源都可以作為業(yè)務(wù)發(fā)放給用戶，從而使得資源共享變得更加靈活和廣泛，減少了用戶的硬件購置，升級維護(hù)等成本終端用戶可以使用各種類型的瘦客戶端，在任何地方接入建立在云計算上的各類應(yīng)用。理論上來說，相對于應(yīng)用裝在用戶本地終端的傳統(tǒng)方法，云計算用戶應(yīng)該獲得相同或甚至更好的用戶體驗。為了達(dá)到這樣的效果，對于支撐云計算的數(shù)據(jù)中心就有了更多新的要求。本文將逐一闡述這些數(shù)據(jù)中心的新特性，并探討為了滿足這些新特性而產(chǎn)生的核心技術(shù)及其演進(jìn)預(yù)期。本文所述的數(shù)據(jù)中心都是指互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心fIn—ternet Data Center，IDC)類型的數(shù)據(jù)中心。

1 云計算為數(shù)據(jù)中心帶來的新特性

    在云計算場景下，IDC的運營商為各類企業(yè)提供各種服務(wù)，包括云計算的應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)和存儲服務(wù)。

    1.1服務(wù)器虛擬化和自由遷移

    在傳統(tǒng)的非云計算場景下，物理服務(wù)器通常只被單一租戶的單一業(yè)務(wù)使用，所以單臺服務(wù)器的利用率會比較低。隨著業(yè)務(wù)的擴(kuò)展，需要不斷增加服務(wù)器的數(shù)量，這樣會使得數(shù)據(jù)中心的規(guī)模越來越龐大。

    在云計算的場景下，由于IDC為大量而不是單一的企業(yè)或用戶提供服務(wù)，所以業(yè)務(wù)量會極其龐大�？坎煌５卦黾游锢矸�務(wù)器對于成本和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模來說都難以接受。虛擬化技術(shù)使得一臺物理服務(wù)器可以被虛擬成多臺服務(wù)器來使用，從而利用了原本閑置的資源，提高了服務(wù)器的使用率，所以使用相對較少的物理服務(wù)器就能滿足IDC的業(yè)務(wù)需要。通常對于多核CPU的服務(wù)器來說，可以虛擬成每個CPU一個虛擬機(jī)來使用。對于某些CPU資源消耗不太大的應(yīng)用，例如VDI(虛擬桌面)，甚至一個CPU可以虛擬成四個或更多的虛擬機(jī)。當(dāng)然虛擬化還要受到硬盤的每秒I/O數(shù)和內(nèi)存的限制。

    除了提高使用率外，虛擬化還使得服務(wù)器自由遷移變成可能。在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，進(jìn)行服務(wù)器的遷移是一項非常浩大的工程。必須事先進(jìn)行規(guī)劃，需要謹(jǐn)慎計劃割接時間，做好備份。服務(wù)器需要進(jìn)行斷線斷電，搬移，重新上電上線，通常業(yè)務(wù)會中斷，所以搬遷服務(wù)器是極少發(fā)生的。而使用了虛擬化技術(shù)以后，虛擬機(jī)的遷移不再涉及到物理上的搬遷。并且可以使用各種技術(shù)，例如漸進(jìn)式內(nèi)存復(fù)制等方法使得遷移平滑進(jìn)行，保證了遷移時用戶不感知，相關(guān)業(yè)務(wù)不中斷，不受影響。自由遷移為數(shù)據(jù)中心的容災(zāi)備份，節(jié)能環(huán)保，網(wǎng)規(guī)網(wǎng)優(yōu)提供了不可替代的便利。虛擬機(jī)的自由遷移滿足了云計算環(huán)境下用戶隨時隨地進(jìn)行數(shù)據(jù)接入的需求。

    1.2支持多租戶

    在非云計算的時代，通常各個租戶或者企業(yè)都需要自建數(shù)據(jù)中心或者租用運營商的硬件和基礎(chǔ)設(shè)施用于自己的服務(wù)計算和數(shù)據(jù)存儲。在這種情況下，可以理解為租戶自己擁有獨立的數(shù)據(jù)中心，可以自己進(jìn)行運維也可以將運維托管給運營商。在使用了云計算以后，企業(yè)或者租戶可以向提供云計算的運營商租用計算資源，網(wǎng)絡(luò)資源，存儲資源，而不再是租用硬件和基礎(chǔ)設(shè)施，從而簡化或完全不需自建及自行運維數(shù)據(jù)中心。另外，云計算運營商的數(shù)據(jù)中心則會變得更加的復(fù)雜和龐大。其中的一個挑戰(zhàn)就是支持多租戶。

    支持多租戶主要體現(xiàn)在:

    (1)針對每個租戶業(yè)務(wù)的快速配置和部署。每個租戶在云計算運營商申購的資源需要能夠快速自動地在數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)中使能，還包括防火墻、IPS/IDS , LoadBalancer等設(shè)備的相應(yīng)配置，做到即插即用。

    (2)租戶之間的流量隔離。實際上，由于租戶之間可能共享硬件設(shè)備、帶寬、存儲等資源，為了保證安全，在以二層網(wǎng)絡(luò)為主的數(shù)據(jù)中心，租戶之間的流量需要進(jìn)行隔離，防止租戶甲的流量被租戶乙接收到。傳統(tǒng)的二層網(wǎng)絡(luò)基于VLAN(虛擬局域網(wǎng))進(jìn)行流量隔離的方法受限于4096個的VLAN數(shù)量限制。

    (3)網(wǎng)絡(luò)配置和與租戶應(yīng)用相關(guān)的配置解藕。

    1.3無阻塞網(wǎng)絡(luò)

    支持云計算的數(shù)據(jù)中心吞吐量極大的增加。由于云計算數(shù)據(jù)中心內(nèi)部資源節(jié)點(服務(wù)器、存儲、數(shù)據(jù)庫等)之間的訪問需求和交互流量相比于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心都將大大增加，所以云計算數(shù)據(jù)中心吞吐量會對組網(wǎng)技術(shù)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。另外，云計算數(shù)據(jù)中心經(jīng)常采用分布式計算。分布式計算對數(shù)據(jù)中心的流量模型帶來了巨大的變化，流量模型從以縱向流量(南北向流量，用戶訪問服務(wù)器流量)為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐詸M向流量(東西向流量，服務(wù)器之間的流量)為主。

    傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)多是基于樹形的，下行和上行的帶寬有收斂比。這樣就會造成擁塞。在云計算數(shù)據(jù)中心，需要構(gòu)建無阻塞的網(wǎng)絡(luò)來滿足流量需求�；�于胖樹結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋵⒈挥糜跇?gòu)建無阻塞的網(wǎng)絡(luò)。胖樹解決了樹結(jié)構(gòu)根節(jié)點易成為通信瓶頸的問題。胖樹結(jié)構(gòu)中，越接近根節(jié)點，鏈路的帶寬越大。對于理想的胖樹結(jié)構(gòu)，上層鏈路帶寬應(yīng)為下層鏈路帶寬之和。圖1顯示了胖樹的結(jié)構(gòu)。

圖1 胖樹的結(jié)構(gòu)示意圖

    使用胖樹結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌�要求每臺邊緣交換機(jī)和所有核心交換機(jī)都建立連接，同時，核心交換機(jī)和每臺邊緣交換機(jī)之間有且僅有一條鏈路連接。從邊緣交換機(jī)到核心交換機(jī)之間的流量均衡是降低網(wǎng)絡(luò)擁塞的關(guān)鍵。圖2顯示了基于胖樹結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)物理拓?fù)鋱D。

圖2 基于胖樹的網(wǎng)絡(luò)物理拓?fù)?/p>

2 云計算數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)

    為了滿足前面所述的新需求，一些新的適用于云計算數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也隨之出現(xiàn)。這些新技術(shù)分別著重解決一個或多個問題。作為云計算數(shù)據(jù)中心的整體解決方案，很多技術(shù)需要聯(lián)合使用。這些新技術(shù)有些還處于研究或者優(yōu)化的階段，隨著業(yè)界對于云計算數(shù)據(jù)中心理解的加深以及商業(yè)模式或應(yīng)用的拓展，可以預(yù)見更多的技術(shù)或者優(yōu)化將會被提出及使用。

    2.1虛擬感知

    當(dāng)越來越多的服務(wù)器可以支持虛擬化以后，接入層的概念不再僅針對物理端口，而是延伸到服務(wù)器內(nèi)部，為不同虛擬機(jī)之間的流量交換提供服務(wù)，將虛擬機(jī)同網(wǎng)絡(luò)端口關(guān)聯(lián)起來。虛擬機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換通常由虛擬交換機(jī)來完成，但內(nèi)置在虛擬化平臺上的軟件虛擬交換機(jī)(VSwitch)無法被網(wǎng)絡(luò)設(shè)備感知，甚至也不由網(wǎng)絡(luò)管理員管理。所以這種使用網(wǎng)絡(luò)不感知的虛擬交換機(jī)的方法無法實現(xiàn)虛擬機(jī)之間通信的流量監(jiān)管、虛擬交換機(jī)端口策略等功能。為了解決上述問題，如圖3所示，IEEE 802，1Qbg Edge Virtual Bridging (EVB)定義了關(guān)于虛擬機(jī)網(wǎng)絡(luò)接入的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 EVB(邊緣虛擬橋接)架構(gòu)圖

    如圖3所示，支持一或多個虛擬機(jī)附著的端站稱為EVB，每個虛擬機(jī)有至少一個虛擬機(jī)接口VSI，每個虛擬機(jī)可以和其他虛擬機(jī)通信，或者通過邊界中繼ER和橋接LAN上的其他虛擬機(jī)通信。傳統(tǒng)的虛擬交換機(jī)在內(nèi)部對于同一個物理服務(wù)器的不同VM直接可以直接進(jìn)行流量轉(zhuǎn)發(fā)，這種方式被成為VEB (Virtual EdgeBridging，虛擬邊緣橋接)。除了VEB之外，一種新的方式VEPA(Virtual Ethernet Port Aggregator，虛擬以太端口匯聚)也被制訂。VEPA的核心思想是，將虛擬機(jī)產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)流量全部交由與服務(wù)器相連的物理交換機(jī)進(jìn)行處理，即使同一臺服務(wù)器的虛擬機(jī)間流量，也發(fā)往外部物理交換機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)處理。

    VEPA的目標(biāo)是要將虛擬機(jī)之間的交換行為從服務(wù)器內(nèi)部移出到上聯(lián)交換機(jī)上，當(dāng)兩個處于同一服務(wù)器內(nèi)的虛擬機(jī)要交換數(shù)據(jù)時，從虛擬機(jī)A出來的數(shù)據(jù)幀首先會經(jīng)過服務(wù)器網(wǎng)卡送往上聯(lián)交換機(jī)，上聯(lián)交換機(jī)通過查看幀頭中帶的MAC地址(虛擬機(jī)MAC地址)發(fā)現(xiàn)目的主機(jī)在同一臺物理服務(wù)器中，因此又將這個幀送回原服務(wù)器，完成尋址轉(zhuǎn)發(fā)。整個數(shù)據(jù)流經(jīng)歷了一次回環(huán)((hairpin)，而這在傳統(tǒng)的交換設(shè)備上是不被允許的。

    EVB標(biāo)準(zhǔn)還定義了“多通道技術(shù)(Multichannel)”,可以使得VEB和VEPA同時存在于一臺物理服務(wù)器，一個VEB或VEPA可以對應(yīng)一個通道，這樣為數(shù)據(jù)識別和流量管理，以及網(wǎng)絡(luò)配置都提供了便利。

    為了支持上述功能的實現(xiàn)，相應(yīng)的虛擬感知和發(fā)現(xiàn)協(xié)議也同時被定義。當(dāng)一個虛擬機(jī)上線的時候，它需要通過VDP(虛擬機(jī)發(fā)現(xiàn)協(xié)議)來和相鄰的物理交換機(jī)進(jìn)行通告和配置信息交換。這樣臨近的物理交換機(jī)上可以感知到虛擬機(jī)的上線，并對于網(wǎng)絡(luò)策略或參數(shù)進(jìn)行下發(fā)和配置。

    除了IEEE 802.1Qbg以外，還有其他的一些機(jī)制和協(xié)議也用于虛擬感知和發(fā)現(xiàn)，例如IEEE802.1BR所描述的端口擴(kuò)展技術(shù)�？梢园烟摂M端口統(tǒng)一映射到控制橋上，進(jìn)行更集中的管理、配置和維護(hù)。

    2.2租戶Overlay網(wǎng)絡(luò)

    為了使得云計算數(shù)據(jù)中心可以支持大量的租戶，租戶Overlay網(wǎng)絡(luò)的概念被提了出來。不同的租戶之間流量隔離，且租戶的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)12比特VLANID能提供的40%的租戶數(shù)。在IP層之上提供一層overlay網(wǎng)絡(luò)，使用特殊格式的封裝即特殊的Overlay的報頭來區(qū)分不同的租戶。封裝格式可以是多種多樣的，例如VXLAN或者NVGRE的方式。無論Overlay的封裝格式是怎樣，它的核心思想都是映射加封裝。

    如圖4所示，某租戶的VM1發(fā)送報文給同一租戶的VM2的時候，邊緣入口節(jié)點S1將來自于租戶源VM1的報文目的地址(即VM2的地址)映射為傳送報文的隧道的出口節(jié)點地址(即S2的地址)。人口節(jié)點S1將原始報文進(jìn)行封裝通過隧道傳遞后，出口節(jié)點S2將封裝剝除，恢復(fù)出原始報文并傳遞給最終的目的VM2o這個流程里面主要涉及兩個問題，一是封裝格式，二是控制平面對于映射的管理。封裝格式前面已說過，可以是多種多樣。而控制平面的對于映射和隧道的管理，則需要有比較統(tǒng)一的方法。理論上來說，可以分為兩類，自發(fā)學(xué)習(xí)或通過控制信令。

    自發(fā)學(xué)習(xí)的方法適用于比較小型的數(shù)據(jù)中心，類似于傳統(tǒng)的2層地址學(xué)習(xí)。節(jié)點對接收到的報文進(jìn)行內(nèi)外層地址的對應(yīng)關(guān)系學(xué)習(xí)，例如圖4中S2上學(xué)習(xí)到(VM1, S1)的地址映射關(guān)系。自發(fā)學(xué)習(xí)的方法比較簡單，但是通過控制信令的方式擴(kuò)展性更好，更適用于大型的數(shù)據(jù)中心。隧道的端點需要通過控制信令來對注冊和解注冊相應(yīng)的地址對應(yīng)關(guān)系。VM在上線的時候它的地址和隧道的映射關(guān)系將被注冊，在遷移的時候注冊關(guān)系將被更新，在下線的時候注冊關(guān)系將被刪除。

    租戶Overlay的方法可以使得網(wǎng)絡(luò)本身對于租戶內(nèi)部的地址管理透明，策略可以根據(jù)租戶來下發(fā)。租戶的流量隔離將會在邊緣節(jié)點基于租戶ID來實現(xiàn)，突破了傳統(tǒng)的使用二層以太網(wǎng)VLAN來隔離的租戶數(shù)目限制。

圖4 租戶Overlay網(wǎng)絡(luò)

    2.3大二層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

    傳統(tǒng)的STP(生成樹協(xié)議)用于防止二層網(wǎng)絡(luò)的環(huán)路，但是在云計算數(shù)據(jù)中心中，STP有諸多的缺陷，主要包括:

    (1)為了防止環(huán)路而對特定端口進(jìn)行阻塞，導(dǎo)致鏈路利用率低;

    (2)無法實現(xiàn)等價多路徑轉(zhuǎn)發(fā);

    (3)網(wǎng)絡(luò)收斂速度慢。

    在以胖樹結(jié)構(gòu)為主的云計算數(shù)據(jù)中心(如圖2所示)，基于多條等價路徑的轉(zhuǎn)發(fā)是均衡流量防止擁塞的基礎(chǔ)。另外，由于虛擬機(jī)遷移的需求，一般要求虛擬機(jī)在遷移后的IP地址不發(fā)生改變，也就是說虛擬機(jī)在同一個二層網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行遷移將會大大簡化遷移對于三層網(wǎng)絡(luò)的影響。在這種情況下，支持大規(guī)模二層網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議開始取代傳統(tǒng)的STP協(xié)議。目前最常見的用于大二層的協(xié)議是TRILL (Transparent Interconnection of Lotsof Links，多鏈路透明互聯(lián))和SPB(Shortest Path Bridg-ing，最短路徑橋接)。兩者都是將三層的路由的思想引入到二層的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的協(xié)議，融合了二、三層現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點而規(guī)避其缺點，采用現(xiàn)有的IS-IS路由協(xié)議計算和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

    TRILL協(xié)議由IETF TRILL工作組制訂。它引入了新的標(biāo)識—別名(Nickname)用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的標(biāo)識。運行TRILL協(xié)議的設(shè)備稱為路由網(wǎng)橋，路由網(wǎng)橋之間運行IS-IS鏈路狀態(tài)路由協(xié)議，由IS-IS鏈路狀態(tài)路由協(xié)議計算網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌�根�?jù)SPF算法計算用于單播數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的最短路徑。對于未知單播，組播和廣播報文，會根據(jù)分發(fā)樹(Distribution Trees)進(jìn)行報文轉(zhuǎn)發(fā)。分發(fā)樹是一種共享樹，可以根據(jù)VLAN來進(jìn)行剪枝。全網(wǎng)可以定義多棵分發(fā)樹用于組播流量的負(fù)載均衡。為了防止環(huán)路，TRILL報文頭攜帶了Hop Count字段，在路由網(wǎng)橋轉(zhuǎn)發(fā)報文時，每經(jīng)過一跳，該字段的值會減1。當(dāng)該字段的值為0時，接收到該報文的路由網(wǎng)橋會丟棄該報文。對于組播轉(zhuǎn)發(fā)，除了Hop Count字段還，路由網(wǎng)橋還會進(jìn)行反向路徑檢測(Reverse Path Check)，以防止報文轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)路。

    SPB協(xié)議由IEEE 802.1制訂。它使用一個Common and Internal Spanning Tree(LIST)，支持每個Region自動決策，選擇最大可能延伸連接所有的網(wǎng)橋和LAN,SPB連接的是網(wǎng)橋和網(wǎng)橋，主要作用在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部和客戶端之間。SPB網(wǎng)絡(luò)中仍采用傳統(tǒng)Ethernet進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，因此定義了一系列的軟件算法以保證多路徑的廣播無環(huán)和單播負(fù)載均衡，其特性主要包括:

    (1)定義I-SID用于區(qū)分多個拓?fù)洌琁-SID信息在數(shù)據(jù)報文中以BVID(外層Ethernet報頭中的VLAN Tag)形式攜帶，這樣可以解決不同業(yè)務(wù)多拓?fù)滢D(zhuǎn)發(fā)的問題;

    (2)到達(dá)所有相關(guān)UNI節(jié)點的SPT(Shortest PathTree)用于單播與組播報文的轉(zhuǎn)發(fā);

    (3)ECT(Equal Cost Tree)以處理兩個UNI間存在多條等價路徑時負(fù)載均衡轉(zhuǎn)發(fā);

    (4)使用以自己為根的多播樹MT ( Multicast Tree )用于未知單播與廣播報文轉(zhuǎn)發(fā)。

    任意兩點間的Shortest Path一定是對稱的;ECT的負(fù)載均衡是基于不同I-SID分擔(dān)的。

    在業(yè)界還有一些非標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)議，可以理解為TRILL或者SPB的變種，它們的基本思想都是一致的，在二層引入了三層的路由思想。

    在不對三層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改變的情況下，二層網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模越大，那么一個虛擬機(jī)可以遷移的范圍越大。使用大二層協(xié)議可以充分利用胖樹的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢實現(xiàn)流量無阻塞，并達(dá)到網(wǎng)絡(luò)故障亞秒級收斂。

3 結(jié)語

    云計算數(shù)據(jù)中心在多個方面對于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、協(xié)議管理、運維都帶來了新的需求。目前來看，主要需求的來源可以歸納為虛擬化、大容量、多租戶。由于數(shù)據(jù)中心的規(guī)模，支持的業(yè)務(wù)以及流量模型的不同，難以對于數(shù)據(jù)中心都采用完全統(tǒng)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但是無論數(shù)據(jù)中心是采用大二層架構(gòu)還是三層延伸至架頂交換機(jī)的結(jié)構(gòu)或是別的結(jié)構(gòu)，都需要新技術(shù)的支持才能獲得更好的性能。

    目前多個標(biāo)準(zhǔn)組織，包括IETF,IEEE,DMTF等都在制訂和云計算數(shù)據(jù)中心相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。其中，IETF主要側(cè)重三層和以上網(wǎng)絡(luò)，以及網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的自動下發(fā)和網(wǎng)絡(luò)資源的調(diào)度，IEEE主要側(cè)重二層網(wǎng)絡(luò)以及為了支持FCoE而設(shè)計的無丟包以太，DMTF更側(cè)重應(yīng)用層的配置管理和接口制定。另外還有相關(guān)的安全、存儲等技術(shù)也在演進(jìn)中。

    包括第二節(jié)所述的一些技術(shù)都還處于不完全成熟的狀態(tài)，另外在組播效率和規(guī)模支持、數(shù)據(jù)中心跨地域互聯(lián)互通、存儲和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)合一、集群、鏈路捆綁等方面需要進(jìn)一步的技術(shù)優(yōu)化。

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本文標(biāo)題：數(shù)據(jù)中心在云計算需求下的技術(shù)分析

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