在云計算的環(huán)境下，計算資源、網(wǎng)絡(luò)資源和存儲資源都可以作為業(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置，升級維護(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算上的各類應(yīng)用。理論上來說，相對于應(yīng)用裝在用戶本地終端的傳統(tǒng)方法，云計算用戶應(yīng)該獲得相同或甚至更好的用戶體驗。為了達(dá)到這樣的效果，對于支撐云計算的數(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—ternetdatacenter，idc類型的數(shù)據(jù)中心。
1、云計算為數(shù)據(jù)中心帶來的新特性
在云計算場景下，idc的運(yùn)營商為各類企業(yè)提供各種服務(wù)，包括云計算的應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)和存儲服務(wù)。
1.1 服務(wù)器虛擬化和自由遷移
在傳統(tǒng)的非云計算場景下，物理服務(wù)器通常只被單一租戶的單一業(yè)務(wù)使用，所以單臺服務(wù)器的利用率會比較低。隨著業(yè)務(wù)的擴(kuò)展，需要不斷增加服務(wù)器的數(shù)量，這樣會使得數(shù)據(jù)中心的規(guī)模越來越龐大。
在云計算的場景下，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)量會極其龐大�？坎煌５卦黾游锢矸⻊�(wù)器對于成本和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模來說都難以接受。虛擬化技術(shù)使得一臺物理服務(wù)器可以被虛擬成多臺服務(wù)器來使用，從而利用了原本閑置的資源，提高了服務(wù)器的使用率，所以使用相對較少的物理服務(wù)器就能滿足idc的業(yè)務(wù)需要。通常對于多核cpu的服務(wù)器來說，可以虛擬成每個cpu一個虛擬機(jī)來使用。對于某些cpu資源消耗不太大的應(yīng)用，例如vdi虛擬桌面，甚至一個cpu可以虛擬成四個或更多的虛擬機(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)器的遷移是一項非常浩大的工程。必須事先進(jìn)行規(guī)劃，需要謹(jǐn)慎計劃割接時間，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算環(huán)境下用戶隨時隨地進(jìn)行數(shù)據(jù)接入的需求。
1.2 支持多租戶
在非云計算的時代，通常各個租戶或者企業(yè)都需要自建數(shù)據(jù)中心或者租用運(yùn)營商的硬件和基礎(chǔ)設(shè)施用于自己的服務(wù)計算和數(shù)據(jù)存儲。在這種情況下，可以理解為租戶自己擁有獨立的數(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)營商。在使用了云計算以后，企業(yè)或者租戶可以向提供云計算的運(yùn)營商租用計算資源，網(wǎng)絡(luò)資源，存儲資源，而不再是租用硬件和基礎(chǔ)設(shè)施，從而簡化或完全不需自建及自行運(yùn)維數(shù)據(jù)中心。另外，云計算運(yùn)營商的數(shù)據(jù)中心則會變得更加的復(fù)雜和龐大。其中的一個挑戰(zhàn)就是支持多租戶。
支持多租戶主要體現(xiàn)在：
1、針對每個租戶業(yè)務(wù)的快速配置和部署。每個租戶在云計算運(yùn)營商申購的資源需要能夠快速自動地在數(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。
2、租戶之間的流量隔離。實際上，由于租戶之間可能共享硬件設(shè)備、帶寬、存儲等資源，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 無阻塞網(wǎng)絡(luò)
支持云計算的數(shù)據(jù)中心吞吐量極大的增加。由于云計算數(shù)據(jù)中心內(nèi)部資源節(jié)點服務(wù)器、存儲、數(shù)據(jù)庫等之間的訪問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，所以云計算數(shù)據(jù)中心吞吐量會對組網(wǎng)技術(shù)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。另外，云計算數(shù)據(jù)中心經(jīng)常采用分布式計算。分布式計算對數(shù)據(jù)中心的流量模型帶來了巨大的變化，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。這樣就會造成擁塞。在云計算數(shù)據(jù)中心，需要構(gòu)建無阻塞的網(wǎng)絡(luò)來滿足流量需求。基于胖樹結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋵⒈挥糜跇?gòu)建無阻塞的網(wǎng)絡(luò)。胖樹解決了樹結(jié)構(gòu)根節(jié)點易成為通信瓶頸的問題。胖樹結(jié)構(gòu)中，越接近根節(jié)點，鏈路的帶寬越大。對于理想的胖樹結(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)�，要求每臺邊緣交換機(jī)和所有核心交換機(jī)都建立連接，同時，核心交換機(jī)和每臺邊緣交換機(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)分別著重解決一個或多個問題。作為云計算數(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)界對于云計算數(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)見更多的技術(shù)或者優(yōu)化將會被提出及使用。
2.1 虛擬感知
當(dāng)越來越多的服務(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。虛擬機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換通常由虛擬交換機(jī)來完成，但內(nèi)置在虛擬化平臺上的軟件虛擬交換機(jī)vswitch無法被網(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)的方法無法實現(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。支持一或多個虛擬機(jī)附著的端站稱為evb，每個虛擬機(jī)有至少一個虛擬機(jī)接口vsi，每個虛擬機(jī)可以和其他虛擬機(jī)通信，或者通過邊界中繼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)部對于同一個物理服務(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vebvirtualedgebridging，虛擬邊緣橋接。除了veb之外，一種新的方式vepavirtualethernetportaggregator，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)兩個處于同一服務(wù)器內(nèi)的虛擬機(jī)要交換數(shù)據(jù)時，從虛擬機(jī)a出來的數(shù)據(jù)幀首先會經(jīng)過服務(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)在同一臺物理服務(wù)器中，因此又將這個幀送回原服務(wù)器，完成尋址轉(zhuǎn)發(fā)。整個數(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同時存在于一臺物理服務(wù)器，一個veb或vepa可以對應(yīng)一個通道，這樣為數(shù)據(jù)識別和流量管理，以及網(wǎng)絡(luò)配置都提供了便利。
為了支持上述功能的實現(xiàn)，相應(yīng)的虛擬感知和發(fā)現(xiàn)協(xié)議也同時被定義。當(dāng)一個虛擬機(jī)上線的時候，它需要通過vdp虛擬機(jī)發(fā)現(xiàn)協(xié)議來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，并對于網(wǎng)絡(luò)策略或參數(shù)進(jìn)行下發(fā)和配置。
除了ieee802.1qbg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。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 裝即特殊的overlay的報頭來區(qū)分不同的租戶。 裝格式可以是多種多樣的，例如vxlan或者nvgre的方式。無論overlay的 裝格式是怎樣，它的核心思想都是映射加 裝。
某租戶的vm1發(fā)送報文給同一租戶的vm2的時候，邊緣入口節(jié)點s1將來自于租戶源vm1的報文目的地址即vm2的地址映射為傳送報文的隧道的出口節(jié)點地址即s2的地址。人口節(jié)點s1將原始報文進(jìn)行 裝通過隧道傳遞后，出口節(jié)點s2將 裝剝除，恢復(fù)出原始報文并傳遞給最終的目的vm2o這個流程里面主要涉及兩個問題，一是 裝格式，二是控制平面對于映射的管理。 裝格式前面已說過，可以是多種多樣。而控制平面的對于映射和隧道的管理，則需要有比較統(tǒng)一的方法。理論上來說，可以分為兩類，自發(fā)學(xué)習(xí)或通過控制信令。
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)點對接收到的報文進(jìn)行內(nèi)外層地址的對應(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)的方法比較簡單，但是通過控制信令的方式擴(kuò)展性更好，更適用于大型的數(shù)據(jù)中心。隧道的端點需要通過控制信令來對注冊和解注冊相應(yīng)的地址對應(yīng)關(guān)系。vm在上線的時候它的地址和隧道的映射關(guān)系將被注冊，在遷移的時候注冊關(guān)系將被更新，在下線的時候注冊關(guān)系將被刪除。
租戶overlay的方法可以使得網(wǎng)絡(luò)本身對于租戶內(nèi)部的地址管理透明，策略可以根據(jù)租戶來下發(fā)。租戶的流量隔離將會在邊緣節(jié)點基于租戶id來實現(xiàn)，突破了傳統(tǒng)的使用二層以太網(wǎng)vlan來隔離的租戶數(shù)目限制。
