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數據中心的網(wǎng)絡(luò )架構演進(jìn)
作者:etonnet 來(lái)源: 日期:2020-1-14 10:06:57 人氣:7553

傳統的三層網(wǎng)絡(luò )架構一般分為接入層,匯聚層和核心層.

匯聚層和接入層之間是二層連接,使用生成樹(shù)協(xié)議來(lái)阻塞冗余鏈路,避免二層環(huán)路.

匯聚層和核心層之間一般采用三層連接,使用動(dòng)態(tài)路由協(xié)議,在多個(gè)冗余路徑間進(jìn)行負載均衡.

整個(gè)網(wǎng)絡(luò )帶寬有比較大的收斂比.


傳統的三層網(wǎng)絡(luò )架構設計初衷適用于東西流量、南北流量相對均衡的流量環(huán)境.


但近年來(lái),隨著(zhù)企業(yè)三層軟件架構、計算機虛擬化、私有云技術(shù)的成熟和廣泛采用,數據中心的流量發(fā)生了很大的變化.


現代數據中心中東西向的網(wǎng)絡(luò )流量將會(huì )遠大于南北向的流量.


現代數據中心的流行架構是基于CLOS架構發(fā)展起來(lái)的,它誕生于1952年,是由 CharlesClos 提出的.

這個(gè)架構主要描述了一種多級交換網(wǎng)絡(luò )的結構.

CLOS最大的優(yōu)點(diǎn)就是對Crossbar結構的改進(jìn),通過(guò)Clos架構可以提供無(wú)阻塞的網(wǎng)絡(luò ).


2008年,FatTree拓撲結構是由MIT的Fares等人在改進(jìn)傳統樹(shù)形結構性能的基礎上提出.

整個(gè)拓撲網(wǎng)絡(luò )分為三個(gè)層次:自上而下分別為邊緣層(edge)、匯聚層(aggregate)和核心層(core),其中匯聚層交換機與邊緣層交換機構成一個(gè)pod,交換設備均采用商用交換設備.

FatTree結構通過(guò)在核心層多條鏈路實(shí)現負載的及時(shí)處理,避免網(wǎng)絡(luò )熱點(diǎn);通過(guò)在pod內合理分流,避免過(guò)載問(wèn)題.

FatTree對分帶寬隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )規模的擴展而增大,因此能夠為數據中心提供高吞吐傳輸服務(wù);

不同pod之間的服務(wù)器間通信,源、目的節點(diǎn)之間具有多條并行路徑,因此網(wǎng)絡(luò )的容錯性能良好,一般不會(huì )出現單點(diǎn)故障;

采用商用設備取代高性能交換設備,大幅度降低網(wǎng)絡(luò )設備開(kāi)銷(xiāo);

網(wǎng)絡(luò )直徑小,能夠保證視頻、在線(xiàn)會(huì )與等服務(wù)對網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)性的要求;

拓撲結構規則、對稱(chēng),利于網(wǎng)絡(luò )布線(xiàn)及自動(dòng)化配置、優(yōu)化升級等.


FatTree構建拓撲規則如下:FatTree拓撲中包含的Pod數目為 k,每一個(gè)pod連接的sever數目為(k/2)2,

每一個(gè)pod內的邊緣交換機及聚合交換機數量均為k/2,核心交換機數量為(K/2)^2,

網(wǎng)絡(luò )中每一個(gè)交換機的端口數量為k,網(wǎng)絡(luò )所能支持的服務(wù)器總數為K^3/4.

FatTree結構采用水平擴展的方式,當拓撲中所包含的pod數目增加,交換機的端口數目增加時(shí),

FatTree能夠支持更多的服務(wù)器,滿(mǎn)足數據中心的擴展需求,如k=48 時(shí), FatTree能夠支持的服務(wù)器數目為27648.


FatTree拓撲和傳統拓撲組建網(wǎng)絡(luò )時(shí)的成本差異.


現在數據中心網(wǎng)絡(luò )一般多采用“leaf-spine架構”,也稱(chēng)為分布式核心網(wǎng)絡(luò ),它及基于以上介紹的兩種技術(shù)演變而來(lái).

如上圖核心節點(diǎn)包括兩種:第一種leaf葉節點(diǎn)負責連接服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò )設備;第二種spine針節點(diǎn)連接交換機,

保證節點(diǎn)內的任意兩個(gè)端口之間提供延遲非常低的無(wú)阻塞性能,

從而實(shí)現3級CLOS網(wǎng)絡(luò ).通過(guò)一定的端口收斂比/超配比可以滿(mǎn)足數萬(wàn)臺服務(wù)器的線(xiàn)速轉發(fā).

現在流量可以分布在所有可用的鏈接上,不用擔心過(guò)載問(wèn)題。

隨著(zhù)更多的連接被接入到Leaf交換設備,我們的鏈路帶寬收斂比將增加,

可以通過(guò)增加Spine和Leaf設備間的鏈路帶寬降低鏈路收斂比.

除了支持Overlay層面技術(shù)之外,Spine+Leaf網(wǎng)絡(luò )架構的另一個(gè)好處就是,它提供了更為可靠的組網(wǎng)連接,

因為Spine層面與Leaf層面是全交叉連接,任一層中的單交換機故障都不會(huì )影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò )結構.

因此,任一層中的一個(gè)交換機的故障都不會(huì )使整個(gè)結構失效.


FACEBOOK 數據中心的網(wǎng)絡(luò )架構,可以很容易的進(jìn)行橫向和縱向流量帶寬擴展,可以同時(shí)接入海量的服務(wù)器,并進(jìn)行無(wú)阻塞線(xiàn)速轉發(fā).


CLOS架構的物理網(wǎng)絡(luò )提供了足夠可用的物理通信帶寬,但如何更加高效智能的對這些資源進(jìn)行利用,

這就必須借助于下一代網(wǎng)絡(luò )—軟件定義網(wǎng)絡(luò ).

SDN的三個(gè)主要特征

1 轉控分離:網(wǎng)元的控制平面在控制器上,負責協(xié)議計算,產(chǎn)生流表;而轉發(fā)平面只在網(wǎng)絡(luò )設備上.

2 集中控制:設備網(wǎng)元通過(guò)控制器集中管理和下發(fā)流表,這樣就不需要對設備進(jìn)行逐一操作,只需要對控制器進(jìn)行配置即可.

3 開(kāi)放接口:第三方應用只需要通過(guò)控制器提供的開(kāi)放接口,通過(guò)編程方式定義一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò )功能,然后在控制器上運行即可.

總的來(lái)說(shuō),隨著(zhù)現代數據中心里虛擬化技術(shù)和軟件三層架構的廣泛采用,數據中心內部的流量已經(jīng)和過(guò)去發(fā)生了很大的變化,

數據中心的東西流量預測會(huì )達到80%,所以我們要思考如何對數據中心網(wǎng)絡(luò )架構進(jìn)行演進(jìn),

適應現在的流量模型,提供更大的東西帶寬和最低的延遲,同時(shí)我們也要思考下一次軟件定義網(wǎng)絡(luò )所具備的特征,

包括控制層面和數據轉發(fā)層面時(shí)的分流,分布式處理,應用流量的自動(dòng)感知及策略的自動(dòng)部署,設備的自動(dòng)化提供及運維等.







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