数据中心网络的体系结构及发展探析

陈聪健

(西门子中国有限公司，北京 100102)

1 数据中心网络的基本结构

1.1 传统的数据中心网络结构

数据中心内部通过链路和交换机来连接服务器的网络就是数据中心网络。传统的数据中心采用层次结构，在一个数据中心内有多种应用模式，每个应用都有单独的服务器，而且绑定了IP地址，可以接受网络用户的访问。数据中心内部负载可以负责分配来自网络的服务请求，接受请求的地址是虚拟地址，负责处理的地址是直接地址。

1.2 传统的数据中心网络结构存在的不足

随着规模扩大、服务器数量激增、流量增加，导致宽带变得非常拥挤。要采取一定的方式解决，而不是继续增加服务器数量。为解决服务器数量激增的问题，出现了一些新的数据中心结构，比如立方体、多根树等新网络结构。为提高服务器效率，要设置流量间隔。数据中心虚拟化需要数据中心的网络支持，每一个虚拟机不能影响应用层的状态。由于存在大量的服务器和交换机，数据中心不能再配置过多的交换机，要做到即插即用。数据中心的网络已非常庞大，有很多链路处于负载状态。传统数据中心的设备比较低端，经常会出现链路失效等故障，如：

A.服务器和宽带的连接发生了障碍。二层的服务器通信要经过三层链接，影响了输出容量，导致服务器的可用宽带受到了限制。接入路由器的服务器构成了二层域，规模较小，不能构建大规模的数据中心。B.负载均衡技术利用不佳，导致资源利用率较低，服务器无法利用客户端资源进行数据挖掘。如果使用硬件扩展会付出大量成本，传统体系中负载是成对儿使用的，负载增加，均衡器也要增加。C.传统流量工程很难实施。数据中心的流量是动态的，很多流量都是内部流量，流量又是持续变化的，很难控制，自动化程度较差，而且人工操作会经常出错，会带来很多网络风险。D.三层结构的每个交换机都要配置服务器，导致配置开销增大，会增加操作的失误风险。E.服务器的流量没有间隔，一个服务器流量增多会使其他服务器也受到流量影响。传统的网络协议是面向互联网开发的，不适合数据中心模式，需对网络协议进行改进。

1.3 数据中心网络条件

服务器和虚拟机较为便捷，便于迁移。数据中心的服务器可以作为VIP服务器来使用，服务器可以扩展，虚拟机也可以进行迁移。服务器之间要有很高的传输带宽，很多数据中心的服务器流量都会大于外部客户端的流量，所以数据中心要提供最大的服务器带宽。服务器扩展要低成本，物理结构可以持续扩展，不用依赖交换机进行扩展，可以通过增加服务器来提高增量。新增的服务器不会影响以前的服务器，要对协议进行更新设计。数据中心的网络要能够处理各种故障，如服务器失效、两路故障等。网络的配置要低成本运营，以应对高开销。要设计高效的网络协议。数据中心的网络是一种高动态的突发网络，网络中的有些链路会产生阻塞，网络中心要通过灵活的拓扑调配负载来疏通网络，以免造成网络流量的阻塞。网络中心要具有节能减排功能，在能源紧缺的情况下，网络中心要提高效率，节约能源。服务器要有流量间隔，一个服务器流量大时，不要影响到其他服务器。对于这些要求，科技人员进行了很多方案设计。

2 网络中心方案

以网络为中心的方案要求网络流量和转发都由交换机和路由器来完成，这些方案基本都是通过改变路由机制和网络的互联方式来进行设计的。有些学者引入了光纤方式和光电混合方式，还有学者提出了节能减排的介入方式，如下：

2.1 FATTREE

拓扑结构。国外学者借鉴电话网络的做法提出了FATTREE连接以太网的方案，此结构分为三层核心、聚合和边缘交换机，是一种树型结构。

地址配置。在网络中设置了IP地址，交换机的地址代表交换机在POD中的位置，核心交换机的位置代表了交换机在网格中的坐标，主机的位置在底层。

二级路由器和路由。为了使流量可以均匀分布，实现了二级路由器允许前缀查询。一些路由器的表项会有个额外的指针指到一个二级路由器。

2.2 OSA

通过分析数据中心的流量，有学者认为没有必要在数据中心提供均匀的网络场景，如果网络可以根据流量的变化调整自身的拓扑和链路，就可以提供较为灵活的传输带宽。

2.3 无线数据中心网络

2.3.1 典型结构

无线技术可以在无线状态下进行拓扑布置，所以国外学者便将无线技术引入到了网络数据中心，通过TOR交换机增加无线链路来缓解网络的拥堵现象，以解决传输空间问题。但无线网络不能满足所有针对数据中心的网络需要，比如扩展性和高容量的要求。由于干扰和负载无线链路的容量会受到影响，所以要引进无线传输来缓解压力，利用无线通信作为有限通信的缓解，提出了一个以太无线网络结构。

2.3.2 无线链路的调度

无线网络调度包括手机流量、分配链路和链路调度。手机流量要求以一个特定的服务器为单元头，负责手机本地流量和调度，每个单元头都有控制天线，所有的单元头都通过2.4/5 GHz频道的方式进行广播。

2.3.3 全无线架构数据网络

通过60 GHz无线通信技术提出了一种全无线的数据中心网络，将交换结构引进服务器节点，让服务器的节点不那么紧密。为达到低伸展的要求，将服务器网卡进行了替换，并将服务器复制在圆柱形的架构里面，方便建立通信联系，使这些链接构成了一个机密的网状结构。由于网络连接是一种CAYL图(简称CAYL数据中心)，于是设计了一种新的路由协议，让服务器可以缩短储存时间。目前，全无线网络在规模形式上都存在一些问题，但随着高科技的发展，在数据中心中应用无线架构会成为一种普遍趋势。

2.3.4 无线有线混合结构

运用无线技术去掉了繁琐的连线，缓解了主机宽带的压力，解决了流量和无线连接的问题。但无线技术在一定的带宽条件下传输距离有限，而且WDCN采用了广播方式收集流量，始终面临着通信开销大的问题。经过测量发现，数据中心的流量是可以改变的，这就造成了主机的位置不确定，需要对拓扑进行调整。

3 服务器中心方案

以服务器为中心的设计方案中，使用迭代设计的拓扑架构方式较多，服务器还可当作路由器来使用，会参与转发和均衡负载，这些方案通过迭代设计让服务器产生了很多途径。BC网络包括服务器和交换机两种设备，采用了递减的构建方式。BC可以将N个服务器连接到一个端口的交换机中，每个服务器都有交换机，每一层都有端口交换机。

4 数据中心网络综合分析

4.1 设计方案对比

现有设计方案可以支持的服务器分为大中小三层，在使用主流配置的情况下，服务器之间带宽和网卡之间的认购比例较高。宽带可分为四个层次，要比较设计方案能否处理服务器故障、交换机故障和链路故障，还要比较扩展性、布线情况、成本、兼容性、配置、流量、灵活性等内容。

4.2 未来的研究方向

第一，网络结构在分布式系统中得到了广泛研究，学者们提出了很多网络结构，应在数据中心条件下对目前成熟的网络结构进行验证。在以服务器为中心的结构中，新型网络的研究空间较大。第二，网络协议包括从MAC层到运输层的协议，数据中心在管理和结构上都和现在的网络体系存在一定区别。在数据中心管理方面，可以得到全面的拓扑、流量和失效信息，将这些信息运用在网络架构设计上有很大的研究价值。