云計算時代實現(xiàn)無阻塞交換

　　云計算時代來臨了，數(shù)據(jù)中心被推到了浪潮之巔--如何讓數(shù)據(jù)中心更好的支撐不斷壯大的云計算服務，成為數(shù)據(jù)中心運營者最為關注的問題。

　　為了實現(xiàn)這一目標，我們建設更大型的數(shù)據(jù)中心、購買更多更好的服務器，開發(fā)更豐富的應用……，那么數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡要如何改變?該怎樣改變?千萬不能讓網(wǎng)絡成為數(shù)據(jù)中心的“阿喀琉斯之踵”.

　　1 云計算時代，網(wǎng)絡亦應隨需而動

　　隨著云計算的興起，數(shù)據(jù)中心作為云端的核心，承載了越來越多的業(yè)務和應用。而業(yè)務和應用的豐富，也催生了數(shù)據(jù)中心的建設高潮。

　　和以往相比，云計算時代的數(shù)據(jù)中心，在需求和規(guī)劃上有著極大的差異。而這些差異也直接催生了數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的改變。首當其沖的就是，數(shù)據(jù)中心流量模型的改變，給數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡帶來的新需求。

　　據(jù)預測，云計算時代，數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡流量，將從早期的“80%為南北向流量”,轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;70%為東西向流量”.

　　圖1 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡流量模型的演進

　　為什么會有這么大的轉(zhuǎn)變?

　　對于早期的數(shù)據(jù)中心，其業(yè)務主要是數(shù)據(jù)中心外部對數(shù)據(jù)中心的訪問，因此流量以南北向為主。基于業(yè)務特征，以及出口帶寬的限制，網(wǎng)絡的設計一般是按照一定的比例，逐級收斂的，即：數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡接入側(cè)的帶寬，是網(wǎng)絡匯聚區(qū)/核心區(qū)帶寬的數(shù)倍。常見的帶寬收斂比為：1:3~1:20.

　　而隨著云計算的到來，越來越豐富的業(yè)務對數(shù)據(jù)中心的流量模型產(chǎn)生了巨大的沖擊。如搜索、并行計算等大數(shù)據(jù)業(yè)務，需要大量的服務器組成集群、協(xié)同完成工作，這導致服務器之間的流量變得非常大。

　　另外，云計算時代復雜多變的需求，也帶來了流量的不確定性，我們無法再準確預測服務器的流量，無法再通過設計來規(guī)劃網(wǎng)絡的帶寬。同時，虛擬化所帶來的虛擬機動態(tài)遷移能力，又進一步導致網(wǎng)絡流量模型愈趨復雜、東西向流量愈趨增大。

　　隨著數(shù)據(jù)中心流量模型的改變，傳統(tǒng)的收斂網(wǎng)絡將不再滿足數(shù)據(jù)中心的業(yè)務需求。我們需要在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部署無阻塞的網(wǎng)絡，即：數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，任意服務器之間可以線速交互流量。

　　2 胖樹架構(gòu)，讓數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡不再擁塞

　　當前，業(yè)界普遍認可的實現(xiàn)無阻塞網(wǎng)絡的技術是：胖樹架構(gòu)(Fat-Tree,由Charles E. Leiserson于上個世紀八十年代提出)。其基本理念是：使用大量低性能的交換機，構(gòu)建出大規(guī)模的無阻塞網(wǎng)絡。

　　2.1 胖樹架構(gòu)下，網(wǎng)絡帶寬不收斂

　　傳統(tǒng)的樹形網(wǎng)絡拓撲中，帶寬是逐層收斂的，樹根處的網(wǎng)絡帶寬要遠小于各個葉子處所有帶寬的總和。

　　而胖樹網(wǎng)絡則更像是真實的樹，越到樹根，枝干越粗，即：從葉子到樹根，網(wǎng)絡帶寬不收斂。這是胖樹架構(gòu)能夠支撐無阻塞網(wǎng)絡的基礎。

　　圖2 胖樹網(wǎng)絡和傳統(tǒng)網(wǎng)絡的邏輯拓撲比較

　　如上圖所示，為了實現(xiàn)網(wǎng)絡帶寬的無收斂，胖樹網(wǎng)絡中的每個節(jié)點(根節(jié)點除外)都需要保證上行帶寬和下行帶寬相等，并且每個節(jié)點都要提供對接入帶寬的線速轉(zhuǎn)發(fā)的能力。

　　下圖是一個2元4層胖樹的物理結(jié)構(gòu)示例(2元：每個葉子交換機接入2臺終端;4層：網(wǎng)絡中的交換機分為4層)。其使用的所有物理交換機都是完全相同的。

　　圖3 胖樹架構(gòu)的物理拓撲實例

　　從圖中可以看到，每個葉子節(jié)點就是一臺物理交換機，接入2臺終端;上面一層的內(nèi)部節(jié)點，則是每個邏輯節(jié)點由2臺物理交換機組成;再往上面一層則每個邏輯節(jié)點由4臺物理交換機組成;根節(jié)點一共有8臺物理交換機。

　　這樣，任意一個邏輯節(jié)點，下行帶寬和上行帶寬是完全一致的。這保證了整個網(wǎng)絡帶寬是無收斂的。

　　同時我們還可以看到，對于根節(jié)點，有一半的帶寬并沒有被用于下行接入。這是胖樹架構(gòu)為了支持彈性擴展，而為根節(jié)點預留的上行帶寬。通過把胖樹向根部繼續(xù)延伸，即可實現(xiàn)網(wǎng)絡規(guī)模的彈性擴展。

　　2.2 適應數(shù)據(jù)中心應用，胖樹需要量體裁衣

　　在胖樹架構(gòu)中，為了實現(xiàn)彈性的擴展，樹根節(jié)點預留了和下行接入能力相同的上行帶寬。而在數(shù)據(jù)中心實際的建設中，整個網(wǎng)絡的規(guī)模是可以提前預知和規(guī)劃好的(比如：受機房空間的限制，不可能無限擴容)，因此樹根處一般不需要預留如此大規(guī)模的上行帶寬。

　　圖4 減少胖樹網(wǎng)絡的層數(shù)