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數據中心的網絡架構演進
作者:etonnet 來源: 日期:2020-1-14 10:06:57 人氣:1816

傳統的三層網絡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,使用生成樹協議來阻塞冗余鏈路,避免二層環路.

匯聚層和核心層之間一般采用三層連接,使用動態路由協議,在多個冗余路徑間進行負載均衡.

整個網絡帶寬有比較大的收斂比.


傳統的三層網絡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境.


但近年來,隨著企業三層軟件架構、計算機虛擬化、私有云技術的成熟和廣泛采用,數據中心的流量發生了很大的變化.


現代數據中心中東西向的網絡流量將會遠大于南北向的流量.


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

這個架構主要描述了一種多級交換網絡的結構.

CLOS最大的優點就是對Crossbar結構的改進,通過Clos架構可以提供無阻塞的網絡.


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

整個拓撲網絡分為三個層次: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pod,交換設備均采用商用交換設備.

FatTree結構通過在核心層多條鏈路實現負載的及時處理,避免網絡熱點;通過在pod內合理分流,避免過載問題.

FatTree對分帶寬隨著網絡規模的擴展而增大,因此能夠為數據中心提供高吞吐傳輸服務;

不同pod之間的服務器間通信,源、目的節點之間具有多條并行路徑,因此網絡的容錯性能良好,一般不會出現單點故障;

采用商用設備取代高性能交換設備,大幅度降低網絡設備開銷;

網絡直徑小,能夠保證視頻、在線會與等服務對網絡實時性的要求;

拓撲結構規則、對稱,利于網絡布線及自動化配置、優化升級等.


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

每一個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,

網絡中每一個交換機的端口數量為k,網絡所能支持的服務器總數為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,

FatTree能夠支持更多的服務器,滿足數據中心的擴展需求,如k=48 時, FatTree能夠支持的服務器數目為27648.


FatTree拓撲和傳統拓撲組建網絡時的成本差異.


現在數據中心網絡一般多采用“leaf-spine架構”,也稱為分布式核心網絡,它及基于以上介紹的兩種技術演變而來.

如上圖核心節點包括兩種:第一種leaf葉節點負責連接服務器和網絡設備;第二種spine針節點連接交換機,

保證節點內的任意兩個端口之間提供延遲非常低的無阻塞性能,

從而實現3級CLOS網絡.通過一定的端口收斂比/超配比可以滿足數萬臺服務器的線速轉發.

現在流量可以分布在所有可用的鏈接上,不用擔心過載問題。

隨著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層面技術之外,Spine+Leaf網絡架構的另一個好處就是,它提供了更為可靠的組網連接,

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影響整個網絡結構.

因此,任一層中的一個交換機的故障都不會使整個結構失效.


FACEBOOK 數據中心的網絡架構,可以很容易的進行橫向和縱向流量帶寬擴展,可以同時接入海量的服務器,并進行無阻塞線速轉發.


CLOS架構的物理網絡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行利用,

這就必須借助于下一代網絡—軟件定義網絡.

SDN的三個主要特征

1 轉控分離:網元的控制平面在控制器上,負責協議計算,產生流表;而轉發平面只在網絡設備上.

2 集中控制:設備網元通過控制器集中管理和下發流表,這樣就不需要對設備進行逐一操作,只需要對控制器進行配置即可.

3 開放接口:第三方應用只需要通過控制器提供的開放接口,通過編程方式定義一個新的網絡功能,然后在控制器上運行即可.

總的來說,隨著現代數據中心里虛擬化技術和軟件三層架構的廣泛采用,數據中心內部的流量已經和過去發生了很大的變化,

數據中心的東西流量預測會達到80%,所以我們要思考如何對數據中心網絡架構進行演進,

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

包括控制層面和數據轉發層面時的分流,分布式處理,應用流量的自動感知及策略的自動部署,設備的自動化提供及運維等.







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