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數據中心網(wǎng)絡(luò )的體系結構分析
摘要：隨著(zhù)信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，云計算以及虛擬化技術(shù)的運用越來(lái)越廣泛，在這些新興運用模式下，數據中心網(wǎng)絡(luò )也發(fā)生了重大的變化，無(wú)論是在組成、結構還是在功能規模層面都不斷發(fā)生著(zhù)變革，傳統層次結構的數據中心網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)明顯不能適應新的運用模塊，在規模、成本以及拓展性等方面都存在著(zhù)很多不足，變革之后的數據中心網(wǎng)絡(luò )應該低成本的基礎上滿(mǎn)足節能、低配置開(kāi)銷(xiāo)、高拓展性等新的要求。
關(guān)鍵詞：數據中心 體系結構 網(wǎng)絡(luò )
數據中心是數據傳輸、計算以及存儲的中心，是各種軟件資源與硬件資源以及關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統的集中，例如人們熟悉的網(wǎng)絡(luò )游戲、在線(xiàn)購物以及搜索引擎等大規模的集群計算等，而傳統的數據中心網(wǎng)絡(luò )一般采用的是樹(shù)形網(wǎng)絡(luò )，總寬帶受到了限制，根節點(diǎn)更是成為了系統在性能上的最大障礙，并且其規模比較小，資源也不夠集中，導致其已經(jīng)不適應新興運用模式的需求。
一、傳統數據中心網(wǎng)絡(luò )體系結構及存在不足
傳統的數據中心網(wǎng)絡(luò )是通過(guò)層次網(wǎng)絡(luò )上來(lái)實(shí)現的，在同一個(gè)數據中心內存在著(zhù)很多種運用的同時(shí)運行，并且每一種運用都需要在特定的服務(wù)器或者虛擬服務(wù)器上運行，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(hù)端訪(fǎng)問(wèn)。隨著(zhù)云計算以及虛擬化技術(shù)的運用越來(lái)越廣泛，新型計算機的數據中心呈現出許多新的特點(diǎn)，這些新的特點(diǎn)也正體現了傳統數據中心網(wǎng)絡(luò )體系結構的不足。
首先就是規模越來(lái)越大，需要支持的服務(wù)數量級已經(jīng)達到了比較高的量級，并且數據中心的內部流量也在不斷的增加，占總流量的比重也比較大，所以導致網(wǎng)絡(luò )寬帶變成了一種比較缺少的資源。由于數據規模的不斷增大，網(wǎng)絡(luò )設備的要求也越來(lái)越高，但通常都是一個(gè)橫向擴展，并未來(lái)節約成本，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)設備來(lái)進(jìn)行一個(gè)縱向的拓展。新型數據中心網(wǎng)絡(luò )的結構沒(méi)有受到傳統結構的限制，結構比較多樣，例如多根樹(shù)、立方體和隨機圖等，這些網(wǎng)絡(luò )結構都哦可以輔助設計出更加高效的路由算法。隨著(zhù)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬化技術(shù)已經(jīng)成為了數據中心不可缺少的理念，所以這就要求數據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)存在的運用層的狀態(tài)。隨著(zhù)環(huán)保理念的不斷深入，數據中心網(wǎng)絡(luò )可以采用低成本的低端設備，容易導致很多事故的發(fā)生。此外，傳統的數據中心的自動(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(huà)，數據中心網(wǎng)絡(luò )的地址的空間就會(huì )導致人工操作出錯的概率增高，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，避免由此導致的風(fēng)險，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò )系統可以更加健康穩定運行。
二、數據中心網(wǎng)絡(luò )體系結構設計的依據
由于新型計算模式的不斷普及，新興應用模塊使用越來(lái)越廣泛，對新型的數據中心網(wǎng)絡(luò )提出了新的要求。首先就是服務(wù)器和虛擬機的便捷配置和遷移，所以在數據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)縮減或者擴展，虛擬機也可以隨意的遷移，并且在這個(gè)過(guò)程中不需要改變虛擬機的IP地址，已經(jīng)存在的應用層狀態(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 )體系結構應該對服務(wù)器提供更大的寬帶。數據中心網(wǎng)絡(luò )需要支持數量非常巨大的服務(wù)器，數據庫中心需要更多的服務(wù)器，所以在數據庫中心可以設置允許增量的部署或者擴展。另外，還要求數據中心網(wǎng)絡(luò )低成本且高擴展，這是因為數據中心網(wǎng)絡(luò )的物理結構可擴展需要比較小的成本物理連接器，不需要依賴(lài)比較高端的交換機老縱向擴展，采用普通的商業(yè)化的組間就可以實(shí)現橫向擴展，而且，通過(guò)增加服務(wù)器的數量從結構上來(lái)實(shí)現增量的擴展，即使添加新的服務(wù)器，已經(jīng)正在運行的服務(wù)器也是不會(huì )受到影響的。數據中心網(wǎng)絡(luò )還應該具備健壯性，也就是針對各種各樣的失效，例如機架失效、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(xiāo)是指在中心網(wǎng)絡(luò )的構建過(guò)程中不應該采用太多的人工配置開(kāi)銷(xiāo)。另外，由于能源緊缺問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視，在新的數據網(wǎng)絡(luò )結構構建中還應該將能源的效率問(wèn)題考慮進(jìn)來(lái)，提高能源的使用效率，降低制冷開(kāi)銷(xiāo)以及流量的傳輸。
三、現代數據中心網(wǎng)絡(luò )的結構特征
3.1 基于商業(yè)交換機構建
傳統的數據中心網(wǎng)絡(luò )一般采用的是樹(shù)形網(wǎng)絡(luò )，總寬帶受到了限制，根節點(diǎn)更是成為了系統在性能上的最大障礙，如果采用三層樹(shù)形結構來(lái)設計的話(huà)，所有的層都使用普通的48端口交換機，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量不斷增加，網(wǎng)絡(luò )層數也不斷增加，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)系統的性能，需要采用更加高端的交換設備來(lái)進(jìn)行構建但是樹(shù)形結構的問(wèn)題卻還是存在的，使用更加高端的設備就會(huì )帶來(lái)非常大的成本開(kāi)銷(xiāo)，和普通交換機相比，成本提高了非常多。所以，為了降低成本，現代數據中心一般會(huì )采用普通的商業(yè)交換機，例如微軟數據中心和Google數據中心，這也是現代數據中心結構設計的出發(fā)點(diǎn)，可以使數據中心網(wǎng)絡(luò )符合現代數據中心需要具備的特征。
3.2 節點(diǎn)之間多路徑連接
采用商業(yè)交換機是一種可行的設計，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)節點(diǎn)之間增加多條路徑，這樣才能滿(mǎn)足服務(wù)器間數據傳輸的高速要求。例如Portland等就是采用Clos構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(fǎng)問(wèn)。Clos架構是在貝爾實(shí)驗室中設計的一種多級交換結構，最開(kāi)始的時(shí)候是運用在電話(huà)網(wǎng)絡(luò )中，Clos架構支持多級交換，可以通過(guò)每一個(gè)交換單元都能夠連接到下一級的所有交換單元上，并且在不同的交換單元中也可以建立多條交換路徑。
3.3 從機架式向集裝箱式轉變
在傳統的數據中心機架的構建中，需要很復雜的手工聯(lián)線(xiàn)，會(huì )占用大量的基礎設施，開(kāi)發(fā)部署的周期也比較長(cháng)。集裝箱式數據中心是將服務(wù)器、空調系統以及網(wǎng)絡(luò )封裝在一個(gè)集裝箱內，一個(gè)數據中心就可以包含上千臺的服務(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，正是因為其擁有這么多的優(yōu)點(diǎn)，很多大型的IT公司都推出了自己的集裝箱式數據中心，國內IT公司也加緊搶占集裝箱式數據中心市場(chǎng)，學(xué)術(shù)界也對集裝箱式數據中心提出了更高的重視。
四、結語(yǔ)
數據中心網(wǎng)絡(luò )是一種正在發(fā)展中的技術(shù)，結構特征也多種多樣，隨著(zhù)人們需求的不斷改變和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，現代數據中心網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)模式慢慢向著(zhù)公共云服務(wù)轉變，更多的新型數據中心網(wǎng)絡(luò )會(huì )不斷被提出，在未來(lái)的技術(shù)研究中，數據網(wǎng)絡(luò )中心將會(huì )向著(zhù)更加科學(xué)自動(dòng)的方向發(fā)展，在設計中更多的運用節能機制，實(shí)現我國的可持續發(fā)展。
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