云計(jì)算為數(shù)據(jù)中心帶來(lái)的新特性

　　在云計(jì)算的環(huán)境下，計(jì)算資源、網(wǎng)絡(luò)資源和存儲(chǔ)資源都可以作為業(yè)務(wù)發(fā)放給用戶，從而使得資源共享變得更加靈活和廣泛，減少了用戶的硬件購(gòu)置，升級(jí)維護(hù)等成本終端用戶可以使用各種類型的瘦客戶端，在任何地方接入建立在云計(jì)算上的各類應(yīng)用。理論上來(lái)說(shuō)，相對(duì)于應(yīng)用裝在用戶本地終端的傳統(tǒng)方法，云計(jì)算用戶應(yīng)該獲得相同或甚至更好的用戶體驗(yàn)。為了達(dá)到這樣的效果，對(duì)于支撐云計(jì)算的數(shù)據(jù)中心就有了更多新的要求。本文將逐一闡述這些數(shù)據(jù)中心的新特性，并探討為了滿足這些新特性而產(chǎn)生的核心技術(shù)及其演進(jìn)預(yù)期。本文所述的數(shù)據(jù)中心都是指互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心fIn—ternet Data Center，IDC）類型的數(shù)據(jù)中心。

　　1 云計(jì)算為數(shù)據(jù)中心帶來(lái)的新特性

　　在云計(jì)算場(chǎng)景下，IDC的運(yùn)營(yíng)商為各類企業(yè)提供各種服務(wù)，包括云計(jì)算的應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)服務(wù)。

　　1.1服務(wù)器虛擬化和自由遷移

　　在傳統(tǒng)的非云計(jì)算場(chǎng)景下，物理服務(wù)器通常只被單一租戶的單一業(yè)務(wù)使用，所以單臺(tái)服務(wù)器的利用率會(huì)比較低。隨著業(yè)務(wù)的擴(kuò)展，需要不斷增加服務(wù)器的數(shù)量，這樣會(huì)使得數(shù)據(jù)中心的規(guī)模越來(lái)越龐大。

　　在云計(jì)算的場(chǎng)景下，由于IDC為大量而不是單一的企業(yè)或用戶提供服務(wù)，所以業(yè)務(wù)量會(huì)極其龐大?？坎煌５卦黾游锢矸?wù)器對(duì)于成本和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模來(lái)說(shuō)都難以接受。虛擬化技術(shù)使得一臺(tái)物理服務(wù)器可以被虛擬成多臺(tái)服務(wù)器來(lái)使用，從而利用了原本閑置的資源，提高了服務(wù)器的使用率，所以使用相對(duì)較少的物理服務(wù)器就能滿足IDC的業(yè)務(wù)需要。通常對(duì)于多核CPU的服務(wù)器來(lái)說(shuō)，可以虛擬成每個(gè)CPU一個(gè)虛擬機(jī)來(lái)使用。對(duì)于某些CPU資源消耗不太大的應(yīng)用，例如VDI（虛擬桌面），甚至一個(gè)CPU可以虛擬成四個(gè)或更多的虛擬機(jī)。當(dāng)然虛擬化還要受到硬盤的每秒I/O數(shù)和內(nèi)存的限制。

　　除了提高使用率外，虛擬化還使得服務(wù)器自由遷移變成可能。在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，進(jìn)行服務(wù)器的遷移是一項(xiàng)非常浩大的工程。必須事先進(jìn)行規(guī)劃，需要謹(jǐn)慎計(jì)劃割接時(shí)間，做好備份。服務(wù)器需要進(jìn)行斷線斷電，搬移，重新上電上線，通常業(yè)務(wù)會(huì)中斷，所以搬遷服務(wù)器是極少發(fā)生的。而使用了虛擬化技術(shù)以后，虛擬機(jī)的遷移不再涉及到物理上的搬遷。并且可以使用各種技術(shù)，例如漸進(jìn)式內(nèi)存復(fù)制等方法使得遷移平滑進(jìn)行，保證了遷移時(shí)用戶不感知，相關(guān)業(yè)務(wù)不中斷，不受影響。自由遷移為數(shù)據(jù)中心的容災(zāi)備份，節(jié)能環(huán)保，網(wǎng)規(guī)網(wǎng)優(yōu)提供了不可替代的便利。虛擬機(jī)的自由遷移滿足了云計(jì)算環(huán)境下用戶隨時(shí)隨地進(jìn)行數(shù)據(jù)接入的需求。

　　1.2支持多租戶

　　在非云計(jì)算的時(shí)代，通常各個(gè)租戶或者企業(yè)都需要自建數(shù)據(jù)中心或者租用運(yùn)營(yíng)商的硬件和基礎(chǔ)設(shè)施用于自己的服務(wù)計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。在這種情況下，可以理解為租戶自己擁有獨(dú)立的數(shù)據(jù)中心，可以自己進(jìn)行運(yùn)維也可以將運(yùn)維托管給運(yùn)營(yíng)商。在使用了云計(jì)算以后，企業(yè)或者租戶可以向提供云計(jì)算的運(yùn)營(yíng)商租用計(jì)算資源，網(wǎng)絡(luò)資源，存儲(chǔ)資源，而不再是租用硬件和基礎(chǔ)設(shè)施，從而簡(jiǎn)化或完全不需自建及自行運(yùn)維數(shù)據(jù)中心。另外，云計(jì)算運(yùn)營(yíng)商的數(shù)據(jù)中心則會(huì)變得更加的復(fù)雜和龐大。其中的一個(gè)挑戰(zhàn)就是支持多租戶。

　　支持多租戶主要體現(xiàn)在：

　?。?）針對(duì)每個(gè)租戶業(yè)務(wù)的快速配置和部署。每個(gè)租戶在云計(jì)算運(yùn)營(yíng)商申購(gòu)的資源需要能夠快速自動(dòng)地在數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)中使能，還包括防火墻、IPS/IDS , LoadBalancer等設(shè)備的相應(yīng)配置，做到即插即用。

　?。?）租戶之間的流量隔離。實(shí)際上，由于租戶之間可能共享硬件設(shè)備、帶寬、存儲(chǔ)等資源，為了保證安全，在以二層網(wǎng)絡(luò)為主的數(shù)據(jù)中心，租戶之間的流量需要進(jìn)行隔離，防止租戶甲的流量被租戶乙接收到。傳統(tǒng)的二層網(wǎng)絡(luò)基于VLAN（虛擬局域網(wǎng)）進(jìn)行流量隔離的方法受限于4096個(gè)的VLAN數(shù)量限制。

　（3）網(wǎng)絡(luò)配置和與租戶應(yīng)用相關(guān)的配置解藕。

　　1.3無(wú)阻塞網(wǎng)絡(luò)

　　支持云計(jì)算的數(shù)據(jù)中心吞吐量極大的增加。由于云計(jì)算數(shù)據(jù)中心內(nèi)部資源節(jié)點(diǎn)（服務(wù)器、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)庫(kù)等）之間的訪問(wèn)需求和交互流量相比于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心都將大大增加，所以云計(jì)算數(shù)據(jù)中心吞吐量會(huì)對(duì)組網(wǎng)技術(shù)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。另外，云計(jì)算數(shù)據(jù)中心經(jīng)常采用分布式計(jì)算。分布式計(jì)算對(duì)數(shù)據(jù)中心的流量模型帶來(lái)了巨大的變化，流量模型從以縱向流量（南北向流量，用戶訪問(wèn)服務(wù)器流量）為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐詸M向流量（東西向流量，服務(wù)器之間的流量）為主。

　　傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)多是基于樹形的，下行和上行的帶寬有收斂比。這樣就會(huì)造成擁塞。在云計(jì)算數(shù)據(jù)中心，需要構(gòu)建無(wú)阻塞的網(wǎng)絡(luò)來(lái)滿足流量需求?；谂謽浣Y(jié)構(gòu)的拓?fù)鋵⒈挥糜跇?gòu)建無(wú)阻塞的網(wǎng)絡(luò)。胖樹解決了樹結(jié)構(gòu)根節(jié)點(diǎn)易成為通信瓶頸的問(wèn)題。胖樹結(jié)構(gòu)中，越接近根節(jié)點(diǎn)，鏈路的帶寬越大。對(duì)于理想的胖樹結(jié)構(gòu)，上層鏈路帶寬應(yīng)為下層鏈路帶寬之和。

　　使用胖樹結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，要求每臺(tái)邊緣交換機(jī)和所有核心交換機(jī)都建立連接，同時(shí)，核心交換機(jī)和每臺(tái)邊緣交換機(jī)之間有且僅有一條鏈路連接。從邊緣交換機(jī)到核心交換機(jī)之間的流量均衡是降低網(wǎng)絡(luò)擁塞的關(guān)鍵。

　　2 云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)

　　為了滿足前面所述的新需求，一些新的適用于云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也隨之出現(xiàn)。這些新技術(shù)分別著重解決一個(gè)或多個(gè)問(wèn)題。作為云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的整體解決方案，很多技術(shù)需要聯(lián)合使用。這些新技術(shù)有些還處于研究或者優(yōu)化的階段，隨著業(yè)界對(duì)于云計(jì)算數(shù)據(jù)中心理解的加深以及商業(yè)模式或應(yīng)用的拓展，可以預(yù)見(jiàn)更多的技術(shù)或者優(yōu)化將會(huì)被提出及使用。

　　2.1虛擬感知

　　當(dāng)越來(lái)越多的服務(wù)器可以支持虛擬化以后，接入層的概念不再僅針對(duì)物理端口，而是延伸到服務(wù)器內(nèi)部，為不同虛擬機(jī)之間的流量交換提供服務(wù)，將虛擬機(jī)同網(wǎng)絡(luò)端口關(guān)聯(lián)起來(lái)。虛擬機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換通常由虛擬交換機(jī)來(lái)完成，但內(nèi)置在虛擬化平臺(tái)上的軟件虛擬交換機(jī)（VSwitch）無(wú)法被網(wǎng)絡(luò)設(shè)備感知，甚至也不由網(wǎng)絡(luò)管理員管理。所以這種使用網(wǎng)絡(luò)不感知的虛擬交換機(jī)的方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)之間通信的流量監(jiān)管、虛擬交換機(jī)端口策略等功能。支持一或多個(gè)虛擬機(jī)附著的端站稱為EVB，每個(gè)虛擬機(jī)有至少一個(gè)虛擬機(jī)接口VSI，每個(gè)虛擬機(jī)可以和其他虛擬機(jī)通信，或者通過(guò)邊界中繼ER和橋接LAN上的其他虛擬機(jī)通信。傳統(tǒng)的虛擬交換機(jī)在內(nèi)部對(duì)于同一個(gè)物理服務(wù)器的不同VM直接可以直接進(jìn)行流量轉(zhuǎn)發(fā)，這種方式被成為VEB （Virtual EdgeBridging，虛擬邊緣橋接）。除了VEB之外，一種新的方式VEPA（Virtual Ethernet Port Aggregator，虛擬以太端口匯聚）也被制訂。VEPA的核心思想是，將虛擬機(jī)產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)流量全部交由與服務(wù)器相連的物理交換機(jī)進(jìn)行處理，即使同一臺(tái)服務(wù)器的虛擬機(jī)間流量，也發(fā)往外部物理交換機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)處理。

　　VEPA的目標(biāo)是要將虛擬機(jī)之間的交換行為從服務(wù)器內(nèi)部移出到上聯(lián)交換機(jī)上，當(dāng)兩個(gè)處于同一服務(wù)器內(nèi)的虛擬機(jī)要交換數(shù)據(jù)時(shí)，從虛擬機(jī)A出來(lái)的數(shù)據(jù)幀首先會(huì)經(jīng)過(guò)服務(wù)器網(wǎng)卡送往上聯(lián)交換機(jī)，上聯(lián)交換機(jī)通過(guò)查看幀頭中帶的MAC地址（虛擬機(jī)MAC地址）發(fā)現(xiàn)目的主機(jī)在同一臺(tái)物理服務(wù)器中，因此又將這個(gè)幀送回原服務(wù)器，完成尋址轉(zhuǎn)發(fā)。整個(gè)數(shù)據(jù)流經(jīng)歷了一次回環(huán)（（hairpin），而這在傳統(tǒng)的交換設(shè)備上是不被允許的。

　　EVB標(biāo)準(zhǔn)還定義了“多通道技術(shù)（Multichannel）”，可以使得VEB和VEPA同時(shí)存在于一臺(tái)物理服務(wù)器，一個(gè)VEB或VEPA可以對(duì)應(yīng)一個(gè)通道，這樣為數(shù)據(jù)識(shí)別和流量管理，以及網(wǎng)絡(luò)配置都提供了便利。

　　為了支持上述功能的實(shí)現(xiàn)，相應(yīng)的虛擬感知和發(fā)現(xiàn)協(xié)議也同時(shí)被定義。當(dāng)一個(gè)虛擬機(jī)上線的時(shí)候，它需要通過(guò)VDP（虛擬機(jī)發(fā)現(xiàn)協(xié)議）來(lái)和相鄰的物理交換機(jī)進(jìn)行通告和配置信息交換。這樣臨近的物理交換機(jī)上可以感知到虛擬機(jī)的上線，并對(duì)于網(wǎng)絡(luò)策略或參數(shù)進(jìn)行下發(fā)和配置。

　　除了IEEE 802.1Qbg以外，還有其他的一些機(jī)制和協(xié)議也用于虛擬感知和發(fā)現(xiàn)，例如IEEE802.1BR所描述的端口擴(kuò)展技術(shù)?？梢园烟摂M端口統(tǒng)一映射到控制橋上，進(jìn)行更集中的管理、配置和維護(hù)。

　　2.2租戶Overlay網(wǎng)絡(luò)

　　為了使得云計(jì)算數(shù)據(jù)中心可以支持大量的租戶，租戶Overlay網(wǎng)絡(luò)的概念被提了出來(lái)。不同的租戶之間流量隔離，且租戶的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)12比特VLANID能提供的40%的租戶數(shù)。在IP層之上提供一層overlay網(wǎng)絡(luò)，使用特殊格式的封裝即特殊的Overlay的報(bào)頭來(lái)區(qū)分不同的租戶。封裝格式可以是多種多樣的，例如VXLAN或者NVGRE的方式。無(wú)論Overlay的封裝格式是怎樣，它的核心思想都是映射加封裝。

　　某租戶的VM1發(fā)送報(bào)文給同一租戶的VM2的時(shí)候，邊緣入口節(jié)點(diǎn)S1將來(lái)自于租戶源VM1的報(bào)文目的地址（即VM2的地址）映射為傳送報(bào)文的隧道的出口節(jié)點(diǎn)地址（即S2的地址）。人口節(jié)點(diǎn)S1將原始報(bào)文進(jìn)行封裝通過(guò)隧道傳遞后，出口節(jié)點(diǎn)S2將封裝剝除，恢復(fù)出原始報(bào)文并傳遞給最終的目的VM2o這個(gè)流程里面主要涉及兩個(gè)問(wèn)題，一是封裝格式，二是控制平面對(duì)于映射的管理。封裝格式前面已說(shuō)過(guò)，可以是多種多樣。而控制平面的對(duì)于映射和隧道的管理，則需要有比較統(tǒng)一的方法。理論上來(lái)說(shuō)，可以分為兩類，自發(fā)學(xué)習(xí)或通過(guò)控制信令。

　　自發(fā)學(xué)習(xí)的方法適用于比較小型的數(shù)據(jù)中心，類似于傳統(tǒng)的2層地址學(xué)習(xí)。節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的報(bào)文進(jìn)行內(nèi)外層地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系學(xué)習(xí)，例如圖4中S2上學(xué)習(xí)到（VM1, S1）的地址映射關(guān)系。自發(fā)學(xué)習(xí)的方法比較簡(jiǎn)單，但是通過(guò)控制信令的方式擴(kuò)展性更好，更適用于大型的數(shù)據(jù)中心。隧道的端點(diǎn)需要通過(guò)控制信令來(lái)對(duì)注冊(cè)和解注冊(cè)相應(yīng)的地址對(duì)應(yīng)關(guān)系。VM在上線的時(shí)候它的地址和隧道的映射關(guān)系將被注冊(cè)，在遷移的時(shí)候注冊(cè)關(guān)系將被更新，在下線的時(shí)候注冊(cè)關(guān)系將被刪除。

　　租戶Overlay的方法可以使得網(wǎng)絡(luò)本身對(duì)于租戶內(nèi)部的地址管理透明，策略可以根據(jù)租戶來(lái)下發(fā)。租戶的流量隔離將會(huì)在邊緣節(jié)點(diǎn)基于租戶ID來(lái)實(shí)現(xiàn)，突破了傳統(tǒng)的使用二層以太網(wǎng)VLAN來(lái)隔離的租戶數(shù)目限制。

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