数据中心网络架构设计

苏戈 杨吴宁 郝清

摘要 随着云计算、大数据等技术的发展，数据中心的规模和数量正在经历爆发式地增长，数据中心的网络结构也随之不断发展和成熟。数据中心网络架构设计属于关键的基础工作内容之一。本文讨论了数据中心网络架构设计的原则，分析了目前存在的主要问题，提出了优化数据中心网络架构的方法。

【关键词】数据中心 网络架构

社会经济的迅速发展带动了信息技术的进步，虚拟化技术与云计算越来越广泛地应用在人们的生活与工作中，成为了人们生活不可分割的一部分。目前的云数据中心主要为用户提供应用、计算、存储等服务，要求其具备较强的高效性、弹性、敏捷性。用户由原来的传统数据中心转换为虚拟化数据中心期间，对于网络安全与网络透明度存在较多的顾虑。数据中心网络作为底层基础设施，有了更高的标准和要求。传统数据中心的网络架构设计已经不能够满足相关要求。新一代数据中心的网络结构将随着应用的变化在不断发展，建设高性能、高可扩展性、绿色环保的数据中心是大势所趋。

1 数据中心网络架构设计的原则

1.1 可控性原则

数据中心网络架构的设计是数据中心运营管理的关键因素，在业务量不断加大的同时需要加强数据中心网络架构设计的管理工作，建立全面完善的监督、控制系统。在数据中心网络架构设计期间应该选取智能化的、可管理的设备与系统软件，加强架构设计的可控性，从而能够更好地顺应云计算的运行模式。

1.2 扩展性原则

数据中心用户和应用系统的增长是必然的趋势，因此数据中心架构设计要遵循扩展性的原则，具有一定的前瞻性，满足业务应用和技术的发展。如不断地深入挖掘业务的需求，尽量提高网络设备的端口密度和容量，允许使用各种网络传输方式与物理接口。实现高扩展性的关键因素包括层次化设计与模块化设计，在不影响网络正常运行的情况下加强扩展工作，提高数据中心网络运行的效率与质量。

1.3 先进性原则

数据中心在进行架构设计的时候必须选择先进的、符合发展趋势的技术、设备和软件系统，以保证系统具有较高的性能和较长的生命力，同时还要保证技术的成熟稳定和安全性。

1.4 标准化原则

在进行数据中心架构设计的时候，要保证其标准化原则。系统的所有组成要素都要符合国际标准、国家标准和行业规范，尽量用一个统一的标准来规划完整的数据中心网络体系。

2 目前数据中心网络架构存在的相关问题

2.1 没有依据业务特性实行功能分区

目前客户端与服务器的控制日益严格，所以各个VLAN中的访问控制列表条目在逐渐的增加，操作也比较繁琐。但是目前存在日志记录功能较为简单，不能够利用日志分析来发现更深层次安全方面的隐患。核心交换机的功能主要是高效率地交换数据，但是通常核心交换机的设计比较复杂，系统资源的消耗也比较大，并且核心交换机在配置访问控制列表的功能优势也无法充分发挥出来，存在没有根据业务特性实行功能分区的问题。

2.2 核心交换机的端口数量有限

目前在传统数据中心架构中，核心交换机处于最顶层，物理配置最高、价格最昂贵，并且需要同时连接外部网络和内部网络。为了满足性能、可靠性等要求，服务器、存储在直连核心交换机时，往往通过两条链路同时连接两台核心交换机，容易受到核心交换机端口数量的限制。而在接入层实施双线接入，经常会出现交换机级联，从而导致数据延时、网络跳数、链路环路等问题。

2.3 数据快速交换特性无法发挥，增加故障的发生

汇聚交换机和核心交换机通常采用三层路由连接协议，汇聚交换机的功能主要是转发各个分区VLAN的数据，核心交换机是网络的枢纽，实现多个分区之间的高速连接和数据的快速转发，承担了部分本应由路由器负责的转发功能，二层的数据高效率交换功能无法充分地体现出来，而且增加了运行、维修的成本，增加了故障点。在三层网络架构设计中，通常三层架构的汇聚交换机与核心交换机需要采取生成树协议的形式来阻塞部分的转发端口，只有在转发状态下的故障点，才有可以被传输到转发树中。这种架构方式很容易出现二层链路利用率较低的问题，使得大量的宽带处于闲置状态，相应的流量就会出现拥塞的问题，当链路出现故障的时候，转发数据就会出现延时，生成树协议配置、管理的难度也会伴随交换机数量的增加而加大。

3 优化数据中心网络架构的方法

3.1 清理数据中心网络边界

在数据中心架构设计过程中要不断地加强网络宽带、网络设备功能，做好清理数据中心网络边界工作。首先需要选择低延时、大宽带、高密度的网络宽带与网络设备，能够充分起到承上启下的作用，成为高效率的中间节点。目前服务器虚拟化已经成为了主流，所以要选择不中断、可迁移、虚拟化的服务器。只有保证服务器能够自由迁移到各个物理机上，并且不用去改变IP地址，才能更好地满足当前的应用层状态，调配使用存储与服务器的物理资源。

3.2 扁平化的网络架构

传统数据中心采用的核心层一汇聚层一接入层的三层架构，存在着单点故障、瓶颈带宽等问题。在数据中心开展扁平化的网络构架设计和区域划分，形成核心层一接入层的两层结构甚至单层结构是非常有必要的。这种架构设计具备多方面的优点，首先汇聚层被消除，可以在很大程度上减少网络跳数与单点故障的发生，不仅仅节约了更新设备的费用，还使得后续的运维成本最大限度地降低。另外，由于分区的功能比较单一，非常有利于维护与管理。

3.3 加强数据中心的部署方式

加强数据中心的部署方式是非常有必要的，包括冷备方式、半预热方式、热备方式等三种方式。其中冷备方式能够充分利用数据存储、网络访问、系统、硬件等资源，投资较少，如果数据中心出现故障的时候，手动启动灾备资源就可以了，但其恢复时间较长。半预热方式在数据中心发生故障的时候，可以自动将访问的应用数据转换到灾备数据中，合理降低RPO与RTO。热备方式则是最为高效的，充分符合服务端的高效容灾能力，最大限度地提高服务器切换的准确性与安全性。

3.4 实施数据中心的互联模式

互联模式能够有效地满足无阻塞的访问要求，解决服务低延迟的问题，把传统的三层网络转换为大二层网络，并且把虚拟化的优势充分发挥出来，让更多数量的网络端口、存储设备、服务器相互连接起来。这种数据中心架构设计结构比较简单，并且容易部署，非常适用于小型互联网数据中心的二层转发。它能够极大地提高转发的效率和速度，并且能够让虚拟服务器实现快速地迁移，让服务器能够实现扩展与集群，增强了其容灾能力。

3.5 资源自由化迁移

实现资源自由化迁移是数据中心网络构架设计的主要内容。在传统的IDC运行过程中，一般的物理服务器只能够被单一的租户使用，并且业务也比较单一，大大降低了服务器的利用率。在实现了虚拟化技术之后，数据中心网络构架设计能够实现资源自由化迁移，不再受到任何物理方面的影响，并且服务器在使用过程中能够做到相关业务不中断，实现数据的自由接入。

4 总结

随着云计算、大数据、高性能计算等技术的发展，作为基础承载平台的数据中心的规模和数量正在经历爆发式地增长，数据中心的网絡结构也会随之不断发展和成熟。数据中心网络架构设计属于关键的基础工作内容之一，有着非常重要的地位。如何设计网络架构，优化网络拓扑，提升数据中心网络的性能、可用性、可靠性、可扩展性等，是新一代数据中心设计中应当考虑的重要因素。

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