未來數(shù)據(jù)中心基礎架構的新挑戰(zhàn)與新發(fā)展

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1 概述

隨著企業(yè)數(shù)據(jù)中心建設的深化進行，企業(yè)業(yè)務數(shù)據(jù)集中密度越來越高，服務器存儲數(shù)量不斷增長，網(wǎng)絡架構不斷擴展，空間布局、系統(tǒng)布線、電力能耗壓力不斷增加。作為數(shù)據(jù)中心業(yè)務承載的大動脈，基礎網(wǎng)絡架構層面則直接面臨著持續(xù)的嚴格挑戰(zhàn)。

網(wǎng)絡基礎技術的快速發(fā)展為數(shù)據(jù)中心變革提供了強大支撐動力，基礎網(wǎng)絡演進加快。

2 數(shù)據(jù)中心基礎網(wǎng)絡的挑戰(zhàn)與驅動力

2.1 高密服務器、存儲數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心的物理服務器、存儲系統(tǒng)數(shù)量快速增長，使得數(shù)據(jù)中心規(guī)模不斷擴大。企業(yè)數(shù)據(jù)集中、業(yè)務整合的過程，表現(xiàn)為高密應用系統(tǒng)的集中，同時，服務器與存儲等IT設備計算處理能力遵循摩爾定律的增長，也使得數(shù)據(jù)中心的業(yè)務處理能力持續(xù)性增強。

目前1Gbps～8Gbps級別的服務器、存儲系統(tǒng)網(wǎng)絡接口已經(jīng)是主流，從而使得基礎網(wǎng)絡系統(tǒng)的千兆接入、萬兆互聯(lián)成為數(shù)據(jù)中心建設的基本標準。

下一代計算設備已經(jīng)開始提供萬兆接口，目前多核服務器已經(jīng)具備萬兆吞吐能力，多萬兆網(wǎng)絡接口的服務器、存儲系統(tǒng)已經(jīng)開始在企業(yè)數(shù)據(jù)中心進行部署，計算能力迅速提升的同時也使得面向網(wǎng)絡的接入帶寬需求過渡到萬兆環(huán)境。

計算虛擬化的技術革新，使得單一高計算能力物理服務器虛擬化成多個邏輯計算單元，極大提高了系統(tǒng)的計算效能以及對存儲訪問的高速吞吐。同時，因等同于將此前的多個服務器應用系統(tǒng)疊加在一個網(wǎng)絡接口下，網(wǎng)絡流量急速提升，對數(shù)據(jù)中心基礎網(wǎng)絡提出了相當于傳統(tǒng)環(huán)境下數(shù)倍乃至數(shù)十倍的性能要求。

同時，在高密應用集中環(huán)境下，基礎網(wǎng)絡的可靠性要求更為苛刻。局部網(wǎng)絡產(chǎn)生的故障，對數(shù)據(jù)中心提供服務能力的影響比傳統(tǒng)環(huán)境要更為嚴重。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的局部故障可能只對單一應用造成短時影響，而新的數(shù)據(jù)中心環(huán)境下，大量應用密集，故障影響范圍擴大化。因此對于網(wǎng)絡變化的快速收斂、更強的故障自愈能力成為下一代數(shù)據(jù)中心平臺的重要研究課題。

2.2 數(shù)據(jù)中心多個獨立網(wǎng)絡

數(shù)據(jù)中心發(fā)展建設過程中，出于不同的應用連接要求，逐步出現(xiàn)了多個獨立網(wǎng)絡系統(tǒng)，如圖1所示。

以太網(wǎng)交換網(wǎng)絡：用于連接承載終端客戶與業(yè)務服務器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問，強調高速、可靠、安全、遠端互聯(lián)性、開放性，是當前標準化最普遍的基礎網(wǎng)絡形態(tài)。

服務器高速互聯(lián)網(wǎng)絡：多用于服務器高速集群互聯(lián)，在大多數(shù)條件下使用以太網(wǎng)進行承載；但在某些特殊要求應用環(huán)境下，使用Infiniband(簡稱IB)網(wǎng)絡進行集群互聯(lián)，IB的特點主要是時延小，不丟包。IB的低時延在于轉發(fā)機制為cut-through模式(傳統(tǒng)以太網(wǎng)交換機為store-forwarding模式)，可達200納秒。同時IB通過credit機制進行端到端流控，使得網(wǎng)絡突發(fā)大流量得到平緩，數(shù)據(jù)保持在服務器接口而避免流量丟失。

存儲訪問網(wǎng)絡：用于承載服務器上層應用系統(tǒng)對后端存儲的數(shù)據(jù)操作，存儲網(wǎng)路主要在于傳送SCSI指令，核心要求是高帶寬、不丟包。目前常見的存儲網(wǎng)絡有FC交換機構建的FC-SAN和以太網(wǎng)交換機構建的IP-SAN。

多套網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)中心(圖1)，不僅增加了投資成本，同時由于技術差異大，需要不同的專業(yè)人員進行操作，給數(shù)據(jù)中心的運行管理帶來更多的不便及較高的培訓成本。隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的不斷增大，龐大的異構網(wǎng)絡也成為影響數(shù)據(jù)中心TCO的一個重要環(huán)節(jié)。

2.3 數(shù)據(jù)中心流量突發(fā)

數(shù)據(jù)中心基礎網(wǎng)絡高性能的特點已經(jīng)為建設者不容置疑，全線速、高帶寬是設備選型的核心因素。但是，隨著數(shù)據(jù)中心應用的迅猛增長，網(wǎng)絡承載的業(yè)務流也不斷增長。

根據(jù)網(wǎng)絡觀測(圖2)，以1毫秒為間隔采集到的流量峰值是平均流量的2-3倍。因此在高密應用環(huán)境下的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡中，特別是萬兆互聯(lián)環(huán)境下，業(yè)務流量突發(fā)異常顯著，而這樣的突發(fā)數(shù)據(jù)流需要網(wǎng)絡交換系統(tǒng)進行緩存和排隊調度。通常的網(wǎng)絡設計雖然是千兆服務器接入、萬兆網(wǎng)絡骨干，然而在網(wǎng)絡的骨干層面是基本存在一定的帶寬收斂設計，如出現(xiàn)多個萬兆端口向較少萬兆端口突發(fā)數(shù)據(jù)，則存在嚴重的突發(fā)擁塞瓶頸。

當交換系統(tǒng)對流量突發(fā)的緩存調度能力有限時，必然引起在集中業(yè)務訪問引起的流量突發(fā)情況下的大量丟包，引起傳輸層的窗口滑動、重傳和流量環(huán)境進一步惡化，降低服務響應能力。

傳統(tǒng)的交換方式只能進行最多8種流的區(qū)分和調度，業(yè)務能力有限，難以滿足當前數(shù)據(jù)中心高密應用需求，特別是浪涌突發(fā)環(huán)境下，粗粒度調度能力、低容量網(wǎng)絡緩存無法解決眾多關鍵應用的高吞吐量突發(fā)訪問業(yè)務要求。

3 數(shù)據(jù)中心基礎架構的新發(fā)展

3.1 100G時代來臨

以太網(wǎng)技術發(fā)展是以10倍速方式躍階的，如圖3所示。當前的千兆接入、萬兆骨干已經(jīng)是普遍構建的網(wǎng)絡架構，隨著成本的持續(xù)下降，萬兆技術也開始從網(wǎng)絡的核心，推進到網(wǎng)絡邊緣，推進到服務器、存儲設備上。

研究下一代以太網(wǎng)標準的HSSG技術工作組已經(jīng)結束爭論，制定一個包含40Gbps和100Gbps速度的單一標準，IEEE802.3ba，并將在2010年確定。40Gbps主要面向服務器，而100Gbps則面向網(wǎng)絡匯聚和骨干。每種速度將提供一組物理接口：40Gbps將有1米交換機背板鏈路、10米銅纜鏈路和100米多模光纖鏈路標準；100Gbps將有10米銅纜鏈路、100米多模光纖鏈路和10千米、40公里單模光纖鏈路標準。

基于面向40G/100G下一代超高帶寬的發(fā)展理念，H3C推出的下一代數(shù)據(jù)中心級業(yè)務調度統(tǒng)一交換平臺12500在架構設計上考慮了對40G/100G的兼容，架構上設計當前每槽位可達到80G線速帶寬，可支持兩個40G接口，并能通過后端交換矩陣擴展到每槽位1個100G接口。在802.3ba標準發(fā)布后，能夠通過技術平滑升級過度到超高速網(wǎng)絡環(huán)境，并保持對傳統(tǒng)千兆、萬兆的兼容性。

3.2 數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡浪涌容載能力與業(yè)務調度

為解決數(shù)據(jù)中心高密應用的調度、流量的浪涌式突發(fā)緩沖等關鍵的性能問題，必然在進行交換平臺的基礎架構設計上進行技術革新。

首先是在交換平臺上提供硬件化的流量管理能力，大容量的緩存匹配密集的硬件調度隊列，將調度能力擴展到上萬個隊列，一旦使上層應用數(shù)據(jù)流進入相應的硬件隊列，則可實現(xiàn)大范圍(遠超過8個隊列)的數(shù)據(jù)中心級業(yè)務調度能力，如圖4所示。

另一個技術變革是改變傳統(tǒng)交換系統(tǒng)的出端口緩存方式，而采用分布式ingress緩存架構。傳統(tǒng)出端口緩存方式，整個系統(tǒng)的業(yè)務突發(fā)容載能力僅由出端口可分配的緩存大小決定，因此容量是固定的，流量達到一定的突發(fā)界限，即瞬時突發(fā)數(shù)據(jù)量超過了出端口緩存大小，便導致整個系統(tǒng)開始出現(xiàn)丟包，而且，經(jīng)測試觀測，此種緩存能力的實際表現(xiàn)與根據(jù)端口緩存大小的理論計算是符合的。

分布式緩存技術則采用了區(qū)別于傳統(tǒng)方式的架構，如圖5所示，正常轉發(fā)過程中，出端口是以萬兆線速對外轉發(fā)數(shù)據(jù)的，當出現(xiàn)多個萬兆到一個萬兆的突發(fā)流量開始超萬兆擁塞時，在出端口的報文標記隊列計數(shù)將快速增長，達到一定閾值(進入準擁塞狀態(tài))便產(chǎn)生端到端(E2E)流控信息到各流量來源(ingress)端口，ingress端口緩存即開始將突發(fā)流量緩存到本地并停止對出口發(fā)送數(shù)據(jù)，同時出口仍然以萬兆線速發(fā)送瞬時的超萬兆突發(fā)流量，當出端口解除準擁塞狀態(tài)后，E2E流控通知ingress緩存將保留的數(shù)據(jù)進行正常轉發(fā)。

整個分布式緩存機制由流量管理器在硬件層面協(xié)調，無需軟件參與，因而工作在系統(tǒng)時鐘級別。而每個ingress緩存大小均要求在萬兆全線速條件下達到200毫秒的突發(fā)流量緩存能力，因此，在突發(fā)引起的瞬時擁塞時，N個端口向一個端口轉發(fā)的緩存能力是N*200毫秒，與傳統(tǒng)出端口緩存固定能力相比有本質的提升。

3.3 數(shù)據(jù)中心級HA進入毫秒計時

高可用是數(shù)據(jù)中心基礎網(wǎng)絡的永恒話題，據(jù)有關機構調查，可用性是各行業(yè)數(shù)據(jù)中心各項業(yè)務指標排在首位的關注項。

對于當前數(shù)據(jù)中心密集應用環(huán)境下，核心基礎網(wǎng)絡平臺的應對故障快速恢復能力已經(jīng)不是秒級指標能夠滿足的，當前的快速收斂目標已經(jīng)設定在毫秒級，因此，毫秒級恢復能力成為數(shù)據(jù)中心的故障恢復指標。

H3C數(shù)據(jù)中心交換平臺12500可提供的已測試部分指標數(shù)據(jù)為：

雙引擎主備倒換切換時間    0丟包

單電源模塊更換            0丟包

OSPF GR                 0丟包

BFD for VRRP             50毫秒

路由學習能力              8000條/秒

3.4 數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一交換架構

隨著以太網(wǎng)技術的進一步發(fā)展，新的技術標準不斷推動基礎平臺架構的變化與融合。

萬兆交換系統(tǒng)的時延已經(jīng)降低到微妙級別，而當前已經(jīng)有技術使得以太網(wǎng)芯片在cut-through方式下能夠達到200-300納秒級別，已經(jīng)逼近Infiniban的低時延水平。而對于計算型應用而言，采用以太網(wǎng)互聯(lián)的微妙級時延已經(jīng)能夠滿足大量的計算需求，近幾年高性能計算TOP500排名中基本上超過50%的計算網(wǎng)絡互聯(lián)是采用了千兆以太網(wǎng)，隨著萬兆、40/100G技術的深入發(fā)展和終端萬兆接口技術成熟，以太網(wǎng)將成為服務器互聯(lián)計算承載的主流平臺。

無丟包以太網(wǎng)技術標準族(802.3Qau、802.1Qbb、802.1Qaz、Data Center Bridging Exchange Protocol)和相關技術即將發(fā)布。并在此基礎上進一步支持FCOE，使得以太交換網(wǎng)絡能夠承載FC存儲數(shù)據(jù)流。

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡發(fā)展趨勢是融合的統(tǒng)一交換架構，在一個交換平臺上有效支撐業(yè)務的前端訪問、服務器高速互聯(lián)、存儲訪問。

對于H3C數(shù)據(jù)中心方案架構而言，統(tǒng)一架構的網(wǎng)絡平臺與業(yè)內(nèi)技術發(fā)展是同步的，遵循圖6所示的幾個階段。

隨著當前數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)架構的不斷發(fā)展，密集的業(yè)務需求，要求數(shù)據(jù)中心交換網(wǎng)絡成為高性能、融合業(yè)務統(tǒng)一交換的基礎平臺，滿足數(shù)據(jù)中心規(guī)模的不斷發(fā)展。