云計算時(shí)代實(shí)現無(wú)阻塞交換

　　云計算時(shí)代來(lái)臨了，數據中心被推到了浪潮之巔--如何讓數據中心更好的支撐不斷壯大的云計算服務(wù)，成為數據中心運營(yíng)者最為關(guān)注的問(wèn)題。

　　為了實(shí)現這一目標，我們建設更大型的數據中心、購買(mǎi)更多更好的服務(wù)器，開(kāi)發(fā)更豐富的應用……，那么數據中心的網(wǎng)絡(luò )要如何改變?該怎樣改變?千萬(wàn)不能讓網(wǎng)絡(luò )成為數據中心的“阿喀琉斯之踵”.

　　1 云計算時(shí)代，網(wǎng)絡(luò )亦應隨需而動(dòng)

　　隨著(zhù)云計算的興起，數據中心作為云端的核心，承載了越來(lái)越多的業(yè)務(wù)和應用。而業(yè)務(wù)和應用的豐富，也催生了數據中心的建設高潮。

　　和以往相比，云計算時(shí)代的數據中心，在需求和規劃上有著(zhù)極大的差異。而這些差異也直接催生了數據中心網(wǎng)絡(luò )的改變。首當其沖的就是，數據中心流量模型的改變，給數據中心網(wǎng)絡(luò )帶來(lái)的新需求。

　　據預測，云計算時(shí)代，數據中心的網(wǎng)絡(luò )流量，將從早期的“80%為南北向流量”,轉變?yōu)?ldquo;70%為東西向流量”.

　　圖1 數據中心網(wǎng)絡(luò )流量模型的演進(jìn)

　　為什么會(huì )有這么大的轉變?

　　對于早期的數據中心，其業(yè)務(wù)主要是數據中心外部對數據中心的訪(fǎng)問(wèn)，因此流量以南北向為主?；跇I(yè)務(wù)特征，以及出口帶寬的限制，網(wǎng)絡(luò )的設計一般是按照一定的比例，逐級收斂的，即：數據中心網(wǎng)絡(luò )接入側的帶寬，是網(wǎng)絡(luò )匯聚區/核心區帶寬的數倍。常見(jiàn)的帶寬收斂比為：1:3~1:20.

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

　　另外，云計算時(shí)代復雜多變的需求，也帶來(lái)了流量的不確定性，我們無(wú)法再準確預測服務(wù)器的流量，無(wú)法再通過(guò)設計來(lái)規劃網(wǎng)絡(luò )的帶寬。同時(shí)，虛擬化所帶來(lái)的虛擬機動(dòng)態(tài)遷移能力，又進(jìn)一步導致網(wǎng)絡(luò )流量模型愈趨復雜、東西向流量愈趨增大。

　　隨著(zhù)數據中心流量模型的改變，傳統的收斂網(wǎng)絡(luò )將不再滿(mǎn)足數據中心的業(yè)務(wù)需求。我們需要在數據中心內部署無(wú)阻塞的網(wǎng)絡(luò )，即：數據中心內部，任意服務(wù)器之間可以線(xiàn)速交互流量。

　　2 胖樹(shù)架構，讓數據中心網(wǎng)絡(luò )不再擁塞

　　當前，業(yè)界普遍認可的實(shí)現無(wú)阻塞網(wǎng)絡(luò )的技術(shù)是：胖樹(shù)架構(Fat-Tree,由Charles E. Leiserson于上個(gè)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，構建出大規模的無(wú)阻塞網(wǎng)絡(luò )。

　　2.1 胖樹(shù)架構下，網(wǎng)絡(luò )帶寬不收斂

　　傳統的樹(shù)形網(wǎng)絡(luò )拓撲中，帶寬是逐層收斂的，樹(shù)根處的網(wǎng)絡(luò )帶寬要遠小于各個(gè)葉子處所有帶寬的總和。

　　而胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò )則更像是真實(shí)的樹(shù)，越到樹(shù)根，枝干越粗，即：從葉子到樹(shù)根，網(wǎng)絡(luò )帶寬不收斂。這是胖樹(shù)架構能夠支撐無(wú)阻塞網(wǎng)絡(luò )的基礎。

　　圖2 胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò )和傳統網(wǎng)絡(luò )的邏輯拓撲比較

　　如上圖所示，為了實(shí)現網(wǎng)絡(luò )帶寬的無(wú)收斂，胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)節點(diǎn)(根節點(diǎn)除外)都需要保證上行帶寬和下行帶寬相等，并且每個(gè)節點(diǎn)都要提供對接入帶寬的線(xiàn)速轉發(fā)的能力。

　　下圖是一個(gè)2元4層胖樹(shù)的物理結構示例(2元：每個(gè)葉子交換機接入2臺終端;4層：網(wǎng)絡(luò )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(shù)架構的物理拓撲實(shí)例

　　從圖中可以看到，每個(gè)葉子節點(diǎn)就是一臺物理交換機，接入2臺終端;上面一層的內部節點(diǎn)，則是每個(gè)邏輯節點(diǎn)由2臺物理交換機組成;再往上面一層則每個(gè)邏輯節點(diǎn)由4臺物理交換機組成;根節點(diǎn)一共有8臺物理交換機。

　　這樣，任意一個(gè)邏輯節點(diǎn)，下行帶寬和上行帶寬是完全一致的。這保證了整個(gè)網(wǎng)絡(luò )帶寬是無(wú)收斂的。

　　同時(shí)我們還可以看到，對于根節點(diǎn)，有一半的帶寬并沒(méi)有被用于下行接入。這是胖樹(shù)架構為了支持彈性擴展，而為根節點(diǎn)預留的上行帶寬。通過(guò)把胖樹(shù)向根部繼續延伸，即可實(shí)現網(wǎng)絡(luò )規模的彈性擴展。

　　2.2 適應數據中心應用，胖樹(shù)需要量體裁衣

　　在胖樹(shù)架構中，為了實(shí)現彈性的擴展，樹(shù)根節點(diǎn)預留了和下行接入能力相同的上行帶寬。而在數據中心實(shí)際的建設中，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的規模是可以提前預知和規劃好的(比如：受機房空間的限制，不可能無(wú)限擴容)，因此樹(shù)根處一般不需要預留如此大規模的上行帶寬。

　　圖4 減少胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò )的層數