超大规模数据中心网络相关研究与实践

一、计算模式的演进

 

图 1 计算模式的演进

计算纪年：
1、大型机时代：20世纪60~70年代，计算机体积大、价格高，支持成百上千用户同时操作。
2、个人电脑时代：20世纪80~90年代，计算机体积小、价格低，只支持单个用户同时操作。
3、移动时代：21世纪00~10年代，终端设备搭载移动操作系统，用户随时随地可用。
4、泛在时代：21世纪20年代及以后，计算无处不在，无所不包，典型代表：云计算。

二、云计算应用场景及特征

 

图 2 云计算

应用场景：
1、支持动态组织和业务系统的应用：
典型代表：移动办公。

2、提供集中管理和集成共享的应用：
典型代表：桌面管理。

3、基于网络渠道和面向服务的应用：
典型代表：电子商务。

4、需要大数据计算和存储能力的应用：
典型代表：搜索服务。
特征：经济性、灵活性、共享性、可靠性、可扩展性。

三、云计算数据中心网络需求

 

图 3 云计算数据中心网络

云计算的主要载体是数据中心。数据中心云化对网络提出了新需求：
1、超大规模，平滑扩展：支持数万甚至更高量级的服务器接入。
2、虚机动态迁移：虚机可在不同物理机之间漂移。
3、交换无阻塞，转发低时延：网络流量以东西向为主，南北向为辅。
4、多租户：不同租户网络物理共享，逻辑隔离。
5、低成本，高扩展：采用普通商用组件作横向扩展。
6、网络灵活性：可动态调整拓扑、负载。
7、高效的网络协议：根据数据中心结构和流量特点设计网络协议。
但是在传统数据中心网络中难以满足上述需求。

四、数据中心软件定义网络

 

图 4 SDN网络架构

为了应对云计算的冲击，数据中心网络需要SDN化。SDN的价值主要体现在网络即服务。
SDN的本质在于抽象网络控制，包括转发抽象（网络模型）、状态分步抽象（全局网络视图）与规格抽象（抽象网络视图）。SDN的特征有控制与转发分离、开放的编程接口与集中化的网络控制。

五、基于Overlay的SDN解决方案

 

图 5 Overlay网络

基于Overlay的SDN解决方案存在如下优势：
1、复用传统网络基础设施，设备复用；
2、突破传统网络中虚拟网络数量限制；
3、虚拟网络拓扑与物理网络基础设施解耦；
4、支持VM动态迁移；
5、多租户支持，网络资源可复用且相互隔离不干扰；
6、虚拟网络多路径转发；
7、轻松实现业务编排。
但是云计算对数据中心网络的挑战依然存在。

六、挑战依然存在

1、网络故障定位：

 

图 6 网络故障定位

一旦网络出现异常，难以快速界定到底是上层网络、下层网络还是服务器的问题。往往需要虚拟网络、服务器、物理网络运维团队三方协同。解决问题难度大，耗时长，代价大。

2、物理网络部署：

 

图 7 物理网络部署

物理网络设备部署流程通常包括：网络设备上架加电、设备配置、调试网络连通性、添加网管、设备信息登记。网络设备配置复杂，人工操作易错，部署速度缓慢。