云計(jì)算時(shí)代實(shí)現(xiàn)無(wú)阻塞交換

　　云計(jì)算時(shí)代來(lái)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(jì)算服務(wù)，成為數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)者最為關(guān)注的問(wèn)題。

　　為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們建設(shè)更大型的數(shù)據(jù)中心、購(gòu)買(mǎi)更多更好的服務(wù)器，開(kāi)發(fā)更豐富的應(yīng)用……，那么數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心的“阿喀琉斯之踵”.

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

　　隨著云計(jì)算的興起，數(shù)據(jù)中心作為云端的核心，承載了越來(lái)越多的業(yè)務(wù)和應(yīng)用。而業(yè)務(wù)和應(yīng)用的豐富，也催生了數(shù)據(jù)中心的建設(shè)高潮。

　　和以往相比，云計(jì)算時(shí)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(luò)的改變。首當(dāng)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(luò)帶來(lái)的新需求。

　　據(jù)預(yù)測(cè)，云計(jì)算時(shí)代，數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)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(luò)流量模型的演進(jìn)

　　為什么會(huì)有這么大的轉(zhuǎn)變?

　　對(duì)于早期的數(shù)據(jù)中心，其業(yè)務(wù)主要是數(shù)據(jù)中心外部對(duì)數(shù)據(jù)中心的訪(fǎng)問(wèn)，因此流量以南北向?yàn)橹??；跇I(yè)務(wù)特征，以及出口帶寬的限制，網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)一般是按照一定的比例，逐級(jí)收斂的，即：數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)接入側(cè)的帶寬，是網(wǎng)絡(luò)匯聚區(qū)/核心區(qū)帶寬的數(shù)倍。常見(jiàn)的帶寬收斂比為：1:3~1:20.

　　而隨著云計(jì)算的到來(lái)，越來(lái)越豐富的業(yè)務(wù)對(duì)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(jì)算等大數(shù)據(jù)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(dǎo)致服務(wù)器之間的流量變得非常大。

　　另外，云計(jì)算時(shí)代復(fù)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(zhǔn)確預(yù)測(cè)服務(wù)器的流量，無(wú)法再通過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)的帶寬。同時(shí)，虛擬化所帶來(lái)的虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移能力，又進(jìn)一步導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)流量模型愈趨復(fù)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(luò)將不再滿(mǎn)足數(shù)據(jù)中心的業(yè)務(wù)需求。我們需要在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部署無(wú)阻塞的網(wǎng)絡(luò)，即：數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，任意服務(wù)器之間可以線(xiàn)速交互流量。

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

　　當(dāng)前，業(yè)界普遍認(rèn)可的實(shí)現(xiàn)無(wú)阻塞網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)是：胖樹(shù)架構(gòu)(Fat-Tree,由Charles E. Leiserson于上個(gè)世紀(jì)八十年代提出)。其基本理念是：使用大量低性能的交換機(jī)，構(gòu)建出大規(guī)模的無(wú)阻塞網(wǎng)絡(luò)。

　　2.1 胖樹(shù)架構(gòu)下，網(wǎng)絡(luò)帶寬不收斂

　　傳統(tǒng)的樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，帶寬是逐層收斂的，?shù)根處的網(wǎng)絡(luò)帶寬要遠(yuǎn)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(gòu)能夠支撐無(wú)阻塞網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。

　　圖2 胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的邏輯拓?fù)浔容^

　　如上圖所示，為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)帶寬的無(wú)收斂，胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)(根節(jié)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(jié)點(diǎn)都要提供對(duì)接入帶寬的線(xiàn)速轉(zhuǎn)發(fā)的能力。

　　下圖是一個(gè)2元4層胖樹(shù)的物理結(jié)構(gòu)示例(2元：每個(gè)葉子交換機(jī)接入2臺(tái)終端;4層：網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)分為4層)。其使用的所有物理交換機(jī)都是完全相同的。

　　圖3 胖樹(shù)架構(gòu)的物理拓?fù)鋵?shí)例

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

　　這樣，任意一個(gè)邏輯節(jié)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(duì)于根節(jié)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(gòu)為了支持彈性擴(kuò)展，而為根節(jié)點(diǎn)預(yù)留的上行帶寬。通過(guò)把胖樹(shù)向根部繼續(xù)延伸，即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的彈性擴(kuò)展。

　　2.2 適應(yīng)數(shù)據(jù)中心應(yīng)用，胖樹(shù)需要量體裁衣

　　在胖樹(shù)架構(gòu)中，為了實(shí)現(xiàn)彈性的擴(kuò)展，樹(shù)根節(jié)點(diǎn)預(yù)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(shí)際的建設(shè)中，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模是可以提前預(yù)知和規(guī)劃好的(比如：受機(jī)房空間的限制，不可能無(wú)限擴(kuò)容)，因此樹(shù)根處一般不需要預(yù)留如此大規(guī)模的上行帶寬。

　　圖4 減少胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)