王 杰 趙 超

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1 數(shù)據(jù)中心在云計算需求下的新特性

1.1 虛擬化與自由遷移

云計算出現(xiàn)前,物理服務器“雙單一”特征非常明顯,即單一租戶和單一業(yè)務,當應用需求還未呈幾何級數(shù)增長時,這樣的應用與服務模式是能夠被接受的。但隨著網(wǎng)絡業(yè)務的不斷擴張,數(shù)據(jù)中心規(guī)模也越來越龐大,以無限增加物理服務器的方式來滿足應用需求顯然是不合適的,單臺服務利用率無法獲得提升。云計算的出現(xiàn)很好解決了這一問題,在虛擬化技術支持下,原來的物理服務器會被虛擬成若干臺服務器,提高了資源利用率和服務器使用率,有限的物理服務器數(shù)量即可滿足應用需求。以四核CPU服務器為例,虛擬化技術可將一臺四核CPU服務器虛擬成四臺服務器,即每個CPU被虛擬成一臺虛擬機,而對于那些資源消耗有效的應用來說,根據(jù)具體使用需求,可將一個CPU虛擬成兩臺、四臺,甚至更多臺虛擬機。

虛擬化技術在實現(xiàn)資源利用率提升的同時,也使服務器自由遷移變?yōu)榭赡堋Ｔ趥鹘y(tǒng)數(shù)據(jù)中心建設和應用中,服務器遷移事件極少發(fā)生,因為會動用非常多的資源,且會影響IDC業(yè)務正常運行。在虛擬化環(huán)境下,服務器遷移并不會發(fā)生在物理空間上,而是在虛擬空間上來實現(xiàn),且在漸進式內(nèi)存復制等技術方法的支持下,數(shù)據(jù)保存會變得更容易,任務完成難度也更低,更為重要的是,IDC業(yè)務并不是因此而受到影響。

1.2 多租戶的實現(xiàn)

在非云計算環(huán)境下,企業(yè)若要更好完成業(yè)務運營任務,實現(xiàn)運營目標,滿足自身發(fā)展需要,一般會向運營商租用網(wǎng)絡硬件基礎設施,特別是對于那些大型企業(yè)和跨地區(qū)企業(yè)。這樣,企業(yè)就相當于擁有了一個屬于自己的數(shù)據(jù)中心,必要時,也可進行運維托管。云計算環(huán)境下則不同,企業(yè)并不需要直接向運營商租用網(wǎng)絡硬件基礎設施,而是直接租用網(wǎng)絡資源,包括計算和存儲,相比之下,這樣的租用模式并不需要單獨進行運維,更不需要建立運維數(shù)據(jù)中心。而對于運營商來說,云計算環(huán)境下的數(shù)據(jù)中心會更為復雜,體量也更大,多租戶特征也被更充分體現(xiàn)出來。

1.3 網(wǎng)絡無阻塞

網(wǎng)絡無阻塞的實現(xiàn)主要依靠于“胖樹結(jié)構(gòu)”應用。“胖樹結(jié)構(gòu)”是在原有樹形結(jié)構(gòu)基礎上提出的,它不算是新技術或新思路,只是對原有應用的一種變形。樹形網(wǎng)絡架構(gòu)原理并不影響云計算應用,但二者在根本性需求上卻存在沖突。眾所周知,云計算數(shù)據(jù)中心形成后,數(shù)據(jù)信息吞吐量較之前比有了很大提升,其內(nèi)部資源節(jié)點數(shù)量也隨需求的增加而明顯增多,若依然以傳統(tǒng)“南北向”流量模型為標準進行應用,網(wǎng)絡阻塞問題一定會更為嚴重,因此,有“南北向”流量模式向“東西向”流量模式轉(zhuǎn)變便成為必然。區(qū)別在于,“南北向”流量模式是一種用戶訪問服務器的流量模式,點到點特征較明顯;而“東西向”流量模式是一種由服務器到服務器的流量模式,具有面到面特征。

胖樹結(jié)構(gòu)解決了樹形結(jié)構(gòu)的“通信瓶頸”問題,隨著根節(jié)點附近帶寬逐漸增加,網(wǎng)絡阻塞現(xiàn)象也不會再發(fā)生。需要指出的是,由胖樹結(jié)構(gòu)所支持的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡,需要將全部核心交換機,以及網(wǎng)絡邊緣交換機進行互聯(lián),且保證核心交換機與每一臺網(wǎng)絡邊緣交換機間有且僅有一條鏈路,這樣做的目的在于,能夠更好平衡數(shù)據(jù)流量,以此來降低網(wǎng)絡阻塞發(fā)生概率。

2 云計算需求下的網(wǎng)絡新技術

2.1 虛擬感知

虛擬環(huán)境下的數(shù)據(jù)通信,其原理與物理環(huán)境下的數(shù)據(jù)通信原理相類似,只是當在完成虛擬機與物理機通信時,需要將虛擬機與網(wǎng)絡端口進行關聯(lián)。從數(shù)據(jù)交換的角度看,物理空間下的數(shù)據(jù)交換需要由物理機提供支持,而虛擬空間下數(shù)據(jù)交換則需要由虛擬機提供支持。但由于所處空間不同,虛擬交換機是無法直接被其他網(wǎng)絡設備所感知的,更加無法被網(wǎng)絡管理員直接管理,在這種情況下,通信流量監(jiān)管與端口策略等功能便無法實現(xiàn)。為更好解決“不感知”問題,IEEE 802.1Qbg Edge Virtual Bridging（以下簡稱EVB）定義了關于虛擬機網(wǎng)絡接入的技術標準,如圖1。

圖1 EVB架構(gòu)圖

結(jié)合EVB架構(gòu)圖可知,一臺虛擬機包含多個VSI接口,虛擬機間可自由通信,也可通過中繼ER（邊界）和橋接LAN上的其他虛擬機進行通信。一般情況下,同一臺物理服務器中的多臺虛擬機之間可進行直接通信,這一通信方式被稱為虛擬邊緣橋接,即VEB。顯然,這樣的通信方式是無法滿足不同物理服務器中虛擬機間通信需求的。VEPA（虛擬以太端口匯聚）通信方式的制定解決了這一問題,在VEPA支持下,虛擬機間的流量交換行為將不再局限于某一臺物理服務器內(nèi),而是允許發(fā)生在上聯(lián)交換機上。事實上,即便是同一物理服務器中的兩臺或多臺虛擬機進行數(shù)據(jù)傳輸,交換數(shù)據(jù)依然會被首先送往上聯(lián)交換機,然后再由上聯(lián)交換分配回另一臺或幾臺虛擬機上。上聯(lián)交換機會根據(jù)虛擬機的MAC地址來進行尋址,確保數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)準確。相比VEB,VEPA在實現(xiàn)不同物理服務器虛擬機間數(shù)據(jù)傳輸方面發(fā)揮了更好作用,但如果僅僅是完成同一物理服務器內(nèi)不同虛擬機間的數(shù)據(jù)傳輸,這樣的通信方式顯然不是最佳選擇,因此,EVB標準定義多通道技術,即VEB和VEPA被允許同時存在于一臺物理服務器中,且各自有獨立的通道,這樣便為流量管理和網(wǎng)絡配置提供了便利。

2.2 租戶Overlay網(wǎng)絡

作為一項新概念,“租戶Overlay網(wǎng)絡”主要是為了實現(xiàn)云計算數(shù)據(jù)中心大量租戶支持而被提出的。Overlay網(wǎng)絡位于IP層之上,其封裝格式較特殊,且格式并不固定,有VXLAN格式,也會有NVGRE格式,但都會通過報頭信息來對租戶進行識別,映射加封裝的核心思想特征十分明顯。

結(jié)合圖2,VM1租戶在將數(shù)據(jù)發(fā)送出去后,邊緣交換機S1首先會收到數(shù)據(jù)信息,但它并不會立刻將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去,而是將數(shù)據(jù)報文中的目的地址映射為S2（VM2直連邊緣交換機）的地址,而非實際地址VM2,之后對原始報文進行封裝。當邊緣交換機S2接收到數(shù)據(jù)報文后,會進行解封,然后根據(jù)原始報文信息將數(shù)據(jù)傳遞給VM2。

圖2 租戶Overlay網(wǎng)絡

在整個過程中,封裝格式與映射管理是兩個關鍵點,封裝格式前面已做過介紹,映射管理一般有兩種類型,一是自發(fā)學習,二是通過控制命令。不同類型對應著不同數(shù)據(jù)中心規(guī)模,對于中小型數(shù)據(jù)中心來說,自發(fā)學習類型更適用,整個過程與傳統(tǒng)網(wǎng)絡體系的二層學習較類似,應用起來也比較簡單。相比之下,通過控制命令具有更好擴展性,一般大型數(shù)據(jù)中心應用較多。

2.3 大規(guī)模二層網(wǎng)絡協(xié)議

在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心中,生成樹協(xié)議（STP）在防止二層網(wǎng)絡環(huán)路方面發(fā)揮了很好作用,但在云計算環(huán)境下,該協(xié)議缺點被更多暴露出來,比如:

（1）以避免環(huán)路發(fā)生為目的所作出的特定端口阻塞行為,將嚴重降低鏈路使用效率;

（2）無法實現(xiàn)等價多路徑轉(zhuǎn)發(fā);

（3）網(wǎng)絡收斂速度慢。

為彌補生成樹協(xié)議缺陷,支持大規(guī)模二層網(wǎng)絡的協(xié)議被提出,其中最常見的協(xié)議是多鏈路透明互聯(lián)協(xié)議（TRILL）和最短路徑橋接協(xié)議（SPB）,該兩項協(xié)議均借鑒了三層路由設計思想,成功將二層技術優(yōu)點與三層技術優(yōu)點進行融合,同時規(guī)避掉了原有缺點,同時以現(xiàn)有IS-IS路由協(xié)議來對網(wǎng)絡拓撲進行計算和維護。

在TRILL協(xié)議運行方面,各支持TRILL協(xié)議運行的路由網(wǎng)橋會以IS-IS鏈路狀態(tài)路由協(xié)議為標準計算網(wǎng)絡拓撲,并借助SPF算法完成對單播數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)最短路徑的計算。而對于組播和廣播報文,以及未知單播來說,會根據(jù)分發(fā)樹進行報文轉(zhuǎn)發(fā)。在防環(huán)路方面,TRILL協(xié)議規(guī)定了Hop Count字段,報文被轉(zhuǎn)發(fā)后,每經(jīng)過一個路由器,該字段數(shù)值就會在原有基礎上減掉“1”,當字段數(shù)值被減為0時,報文便會被最后一個接受的路由網(wǎng)橋所丟棄。當進行組播轉(zhuǎn)發(fā)時,除了有Hop Count字段做支持外,還需要進行反向路徑檢測。

在SPB協(xié)議方面,SPB協(xié)議主要是連接網(wǎng)橋與網(wǎng)橋,它在連接客戶端與數(shù)據(jù)中心過程中發(fā)揮了重要作用。該協(xié)議主要特點有:

（1）定義了I-SID,并用作區(qū)別多個不同拓撲,其數(shù)據(jù)信息以BVID的形式被封裝在數(shù)據(jù)報文中,這將有助于解決不同業(yè)務多拓撲轉(zhuǎn)發(fā)的問題;

（2）所有到達UNI及其相關節(jié)點的SPT只用于進行單播與組播報文轉(zhuǎn)發(fā);

（3）ECT以處理兩個UNI間存在多條等價路徑時負載均衡轉(zhuǎn)發(fā)。

結(jié)束語:

在云計算需求下,數(shù)據(jù)中心從多個方面提供了具有現(xiàn)代化特征的數(shù)據(jù)信息服務,包括協(xié)議與架構(gòu),運維與管理,并且在新技術支持下,應用來自不同層面的應用需求正不斷被滿足。目前,包括IETF和IEEE在內(nèi)的多個標準組織都在積極研究和制定基于與計算環(huán)境的數(shù)據(jù)中心應用標準,基于當前主要應用需求,虛擬化和多租戶被更多關注。另外,采用不同架構(gòu)對實現(xiàn)應用目的也有影響,特別是在流量模型不同,以及無法實現(xiàn)拓撲結(jié)構(gòu)統(tǒng)一的情況下,但需要新技術來作支持是卻不爭事實,只有不斷研制新技術,才能滿足實際應用需求,使原有架構(gòu)性能得到提升。