數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)分析

　　摘要：隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，云計(jì)算以及虛擬化技術(shù)的運(yùn)用越來(lái)越廣泛，在這些新興運(yùn)用模式下，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)也發(fā)生了重大的變化，無(wú)論是在組成、結(jié)構(gòu)還是在功能規(guī)模層面都不斷發(fā)生著變革，傳統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)明顯不能適應(yīng)新的運(yùn)用模塊，在規(guī)模、成本以及拓展性等方面都存在著很多不足，變革之后的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該低成本的基礎(chǔ)上滿足節(jié)能、低配置開(kāi)銷、高拓展性等新的要求。

　　關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心 體系結(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)

　　數(shù)據(jù)中心是數(shù)據(jù)傳輸、計(jì)算以及存儲(chǔ)的中心，是各種軟件資源與硬件資源以及關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)的集中，例如人們熟悉的網(wǎng)絡(luò)游戲、在線購(gòu)物以及搜索引擎等大規(guī)模的集群計(jì)算等，而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)一般采用的是樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)，總寬帶受到了限制，根節(jié)點(diǎn)更是成為了系統(tǒng)在性能上的最大障礙，并且其規(guī)模比較小，資源也不夠集中，導(dǎo)致其已經(jīng)不適應(yīng)新興運(yùn)用模式的需求。

　　一、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及存在不足

　　傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)層次網(wǎng)絡(luò)上來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在同一個(gè)數(shù)據(jù)中心內(nèi)存在著很多種運(yùn)用的同時(shí)運(yùn)行，并且每一種運(yùn)用都需要在特定的服務(wù)器或者虛擬服務(wù)器上運(yùn)行，同時(shí)需要和因特網(wǎng)可路由的IP地址綁定，這樣可以方便接收因特網(wǎng)的客戶端訪問(wèn)。隨著云計(jì)算以及虛擬化技術(shù)的運(yùn)用越來(lái)越廣泛，新型計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)中心呈現(xiàn)出許多新的特點(diǎn)，這些新的特點(diǎn)也正體現(xiàn)了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的不足。

　　首先就是規(guī)模越來(lái)越大，需要支持的服務(wù)數(shù)量級(jí)已經(jīng)達(dá)到了比較高的量級(jí)，并且數(shù)據(jù)中心的內(nèi)部流量也在不斷的增加，占總流量的比重也比較大，所以導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)寬帶變成了一種比較缺少的資源。由于數(shù)據(jù)規(guī)模的不斷增大，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的要求也越來(lái)越高，但通常都是一個(gè)橫向擴(kuò)展，并未來(lái)節(jié)約成本，并沒(méi)有使用性能比較高同時(shí)價(jià)格也比較高的先進(jìn)設(shè)備來(lái)進(jìn)行一個(gè)縱向的拓展。新型數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)沒(méi)有受到傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的限制，結(jié)構(gòu)比較多樣，例如多根樹(shù)、立方體和隨機(jī)圖等，這些網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都哦可以輔助設(shè)計(jì)出更加高效的路由算法。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬化技術(shù)已經(jīng)成為了數(shù)據(jù)中心不可缺少的理念，所以這就要求數(shù)據(jù)中心可以支持任何一個(gè)遷移的部署，并且還不能影響已經(jīng)存在的運(yùn)用層的狀態(tài)。隨著環(huán)保理念的不斷深入，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)可以采用低成本的低端設(shè)備，容易導(dǎo)致很多事故的發(fā)生。此外，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心的自動(dòng)化程度不高，如果服務(wù)需要在服務(wù)器之間進(jìn)行重新分配的話，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的地址的空間就會(huì)導(dǎo)致人工操作出錯(cuò)的概率增高，只有提高自動(dòng)化程度，才可以控制操作人員和服務(wù)器成本的比值，降低人工操作的失誤概率，避免由此導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以更加健康穩(wěn)定運(yùn)行。

　　二、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)

　　由于新型計(jì)算模式的不斷普及，新興應(yīng)用模塊使用越來(lái)越廣泛，對(duì)新型的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)提出了新的要求。首先就是服務(wù)器和虛擬機(jī)的便捷配置和遷移，所以在數(shù)據(jù)中心的任何地方的任何服務(wù)器都可以是一種VIP服務(wù)器池的一部分，這樣服務(wù)器池就不再是固定的，而是可以自由動(dòng)態(tài)縮減或者擴(kuò)展，虛擬機(jī)也可以隨意的遷移，并且在這個(gè)過(guò)程中不需要改變虛擬機(jī)的IP地址，已經(jīng)存在的應(yīng)用層狀態(tài)也不會(huì)被打斷。由于服務(wù)器間的高傳輸寬帶，服務(wù)器間的流量比較大，所以新型的中心網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)應(yīng)該對(duì)服務(wù)器提供更大的寬帶。數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)需要支持?jǐn)?shù)量非常巨大的服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫(kù)中心需要更多的服務(wù)器，所以在數(shù)據(jù)庫(kù)中心可以設(shè)置允許增量的部署或者擴(kuò)展。另外，還要求數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)低成本且高擴(kuò)展，這是因?yàn)閿?shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展需要比較小的成本物理連接器，不需要依賴比較高端的交換機(jī)老縱向擴(kuò)展，采用普通的商業(yè)化的組間就可以實(shí)現(xiàn)橫向擴(kuò)展，而且，通過(guò)增加服務(wù)器的數(shù)量從結(jié)構(gòu)上來(lái)實(shí)現(xiàn)增量的擴(kuò)展，即使添加新的服務(wù)器，已經(jīng)正在運(yùn)行的服務(wù)器也是不會(huì)受到影響的。數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)該具備健壯性，也就是針對(duì)各種各樣的失效，例如機(jī)架失效、服務(wù)器失效等都能夠進(jìn)行有效的處理。低配置的開(kāi)銷是指在中心網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建過(guò)程中不應(yīng)該采用太多的人工配置開(kāi)銷。另外，由于能源緊缺問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視，在新的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)建中還應(yīng)該將能源的效率問(wèn)題考慮進(jìn)來(lái)，提高能源的使用效率，降低制冷開(kāi)銷以及流量的傳輸。

　　三、現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特征

　　3.1 基于商業(yè)交換機(jī)構(gòu)建

　　傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)一般采用的是樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)，總寬帶受到了限制，根節(jié)點(diǎn)更是成為了系統(tǒng)在性能上的最大障礙，如果采用三層樹(shù)形結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)的話，所有的層都使用普通的48端口交換機(jī)，那么核心層可以使用的寬帶就只有所有的服務(wù)器出口總寬帶的千分之四，這個(gè)比例是非常小的。如果交換器的端口數(shù)量不斷增加，網(wǎng)絡(luò)層數(shù)也不斷增加，那么在核心層可用的寬帶所占的比例還會(huì)進(jìn)一步減少。為了提高整個(gè)系統(tǒng)的性能，需要采用更加高端的交換設(shè)備來(lái)進(jìn)行構(gòu)建但是樹(shù)形結(jié)構(gòu)的問(wèn)題卻還是存在的，使用更加高端的設(shè)備就會(huì)帶來(lái)非常大的成本開(kāi)銷，和普通交換機(jī)相比，成本提高了非常多。所以，為了降低成本，現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心一般會(huì)采用普通的商業(yè)交換機(jī)，例如微軟數(shù)據(jù)中心和Google數(shù)據(jù)中心，這也是現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)，可以使數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)符合現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心需要具備的特征。

　　3.2 節(jié)點(diǎn)之間多路徑連接

　　采用商業(yè)交換機(jī)是一種可行的設(shè)計(jì)，但是單條路徑的傳輸能力卻受到了非常大的限制，所以就需要在服務(wù)節(jié)點(diǎn)之間增加多條路徑，這樣才能滿足服務(wù)器間數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚僖�求。例如Portland等就是采用Clos構(gòu)架的一種特殊形式作為物理網(wǎng)絡(luò)的一種有效連接方式，向服務(wù)器間提供多條路徑的訪問(wèn)。Clos架構(gòu)是在貝爾實(shí)驗(yàn)室中設(shè)計(jì)的一種多級(jí)交換結(jié)構(gòu)，最開(kāi)始的時(shí)候是運(yùn)用在電話網(wǎng)絡(luò)中，Clos架構(gòu)支持多級(jí)交換，可以通過(guò)每一個(gè)交換單元都能夠連接到下一級(jí)的所有交換單元上，并且在不同的交換單元中也可以建立多條交換路徑。

　　3.3 從機(jī)架式向集裝箱式轉(zhuǎn)變

　　在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心機(jī)架的構(gòu)建中，需要很復(fù)雜的手工聯(lián)線，會(huì)占用大量的基礎(chǔ)設(shè)施，開(kāi)發(fā)部署的周期也比較長(zhǎng)。集裝箱式數(shù)據(jù)中心是將服務(wù)器、空調(diào)系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)封裝在一個(gè)集裝箱內(nèi)，一個(gè)數(shù)據(jù)中心就可以包含上千臺(tái)的服務(wù)器，開(kāi)發(fā)周期較短，體積比較小，不需要占用大量的空間，并且能源消耗的密度也比較高，移動(dòng)部署非常方便，正是因?yàn)槠鋼碛羞@么多的優(yōu)點(diǎn)，很多大型的IT公司都推出了自己的集裝箱式數(shù)據(jù)中心，國(guó)內(nèi)IT公司也加緊搶占集裝箱式數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)，學(xué)術(shù)界也對(duì)集裝箱式數(shù)據(jù)中心提出了更高的重視。

　　四、結(jié)語(yǔ)

　　數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)是一種正在發(fā)展中的技術(shù)，結(jié)構(gòu)特征也多種多樣，隨著人們需求的不斷改變和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)模式慢慢向著公共云服務(wù)轉(zhuǎn)變，更多的新型數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)會(huì)不斷被提出，在未來(lái)的技術(shù)研究中，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中心將會(huì)向著更加科學(xué)自動(dòng)的方向發(fā)展，在設(shè)計(jì)中更多的運(yùn)用節(jié)能機(jī)制，實(shí)現(xiàn)我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展。

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