華為:數據中心網絡架構的新思考

2014年12月31日

數據中心網絡架構的新思考

 

 

現代科技的成果使得人類的器官在空間上得到了極大地延伸,如果說電話是人類聲覺的延伸、電視是人類視覺的延伸、數據中心是人類大腦的延伸,那么網絡則是各種延伸物之間、,以及延伸物與主體之間相互交換信息、傳達指令的神經系統。正常的神經系統是一個健康人類的基本標志之一,同樣,大帶寬、低時延、高可靠的網絡系統也是使得人類各種器官得以有效地延伸、進入云時代的基本保證。


 


云業務對網絡的挑戰

隨著信息業務進入云時代,越來越多的用戶通過各種不同類型的業務設備進入到網絡之中,各種業務設備之間、眾多用戶之間所交換的信息量在飛速地增長,各種接入設備的類型和數量、物理標識等也在快速地增長,如何將這些數量巨大的、不同類型的信息在各種類型的服務設備之間進行快速和準確地傳遞成為了網絡的巨大挑戰。


 


傳統網絡架構中的疊加式服務業務處理方法

作為直接提供服務業務的終端設備,設計人員根據其業務特性,制定和使用了相應的物理接口和通信協議。例如GE/10GE、FC、IB等多種物理接口和Ethernet、IPv4、IPv6、FCoE、IBoE等通信協議,每種協議都有自己特定的數據格式,以及相應的控制報文。在傳統網絡架構中,為了將各種不同服務業務的終端設備連接起來,網絡中的各種設備也被迫需要從硬件和軟件上同時支持這些接口和協議。網絡設備的數據層面上必須對每個接收到的數據進行類型識別,并根據結果找到其相對應的轉發規則并進行轉發。在設備的控制層面上,需對每一類業務的協議進行單獨的處理,以協調和控制數據層面上的轉發行為,如圖1。這樣,在一個物理網絡中形成了疊加的多個業務邏輯網絡。其結果是,隨著服務業務類型數量的增加,業務邏輯網也變得越來越多,軟硬件同時變得越來越復雜,導致網絡的轉發效率下降,新業務的開發時間增長。在數據中心,不光要支持各租戶的業務邏輯網,而且單個租戶內還可能還存在著多個獨立部門各自的業務邏輯網,致使一個數據中心的物理網絡需要支持大量的業務邏輯網絡,使得傳統的疊加式服務難以重負。



圖1. 傳統網絡中的疊加服務業務模型


數據中心中網絡架構的新思想

對于一個擁有大量節點的實際物理網絡,如何能夠支持大量的業務邏輯網絡,且每個業務邏輯網絡都可能擁有自己的地址編碼體系和傳遞規則?生活中很多的例子已經告訴了我們所需要的答案。


現行郵政系統中廣泛采用了郵政編碼和規范的郵件封裝。郵政編碼是郵政體系內的地址編碼系統,是郵政體系內每個業務服務點的地址。每個郵件上的郵政編碼,標明了目標業務服務點的地址。對郵政系統中的分揀和傳遞環節而言,只需簡單地識別目標郵政編碼即可。所以,郵政編碼是對用戶實際物理地址的封裝,實現了用戶地址與傳遞地址之間的解耦,解決了用戶物理地址數量快速增長的問題。同時,對不規范的郵遞物品進行了標準化的封裝,也讓為郵件傳送過程中使用機器來實現自動高速分揀成為可能。


貨物運輸系統中,規范的集裝箱尺寸、規范的目標地址,都極大地簡化了運輸過程中的中間環節,提高了工作效率。


與郵政和貨物運輸系統的作用一樣,網絡的作用就是將用戶的信息從源地址傳遞到目標地址。信息的地址體系和信息的格式會因業務的不同而不同,但網絡的信息傳遞功能不會改變。一個高效的網絡信息傳遞體系,不會、也不應受到被傳遞信息地址體系和格式的影響。網絡信息傳遞體系僅在其邊緣業務節點對被傳遞的信息做規范化的處理,而體系內部的傳遞過程不受被傳遞信息內容的影響。從網絡的整體架構上看,網絡信息傳遞體系內部就像是一座四通八達的橋梁,將網絡的各邊緣業務節點連接起來,如圖2。邊緣業務的源節點只需按各種業務的要求,加裝目標邊緣業務節點的地址,送上橋梁上運行的交通工具即可。而橋梁上只需運行一種類型的高效運輸交通工具,裝載標準的集裝箱。



圖2. 橋接網絡中的轉發與業務分離模型


橋接網絡將業務功能與轉發功能進行了分離,不僅解決了快速增長的用戶地址對網絡路由的影響,也極大地簡化了網絡中間節點之間的轉發過程,提高了網絡的效率。


 


橋接交換網絡架構的基本工作原理

1. 網絡邊緣的業務接入節點對來自于用戶的不同類型數據包進行統一的封裝,并加裝目標和源業務節點信息,然后送至橋接網絡內部的節點。


2. 橋接網絡內部節點之間依據目標業務節點的地址直接進行轉發,將轉發過程中使用的地址與數量巨大的實際用戶地址進行解耦;


3. 邊緣目標業務節點則對接收到的具有統一數據格式的數據包進行解封裝,然后將原始數據報文送至目標用戶;


與傳統的疊加式服務業務的方法相比較,橋接交換網絡架構以路由協議計算結果作為交換網絡內部數據轉發的依據,網絡邊緣的業務節點地址作為數據轉發的地址,數據的轉發地址與用戶的實際地址解耦,消除了用戶地址變化對網絡內部轉發的影響。同時,橋接節點之間數據的傳輸只使用一種標準格式,有利于數據高速、有效地傳輸,實現DCB等無損以太網的協議和功能,有助于網絡的簡化管理。


從服務業務的角度看,橋接網絡提供了點對點、點對多點和多點對多點的連接業務,整個網絡如同一臺交換機/路由器/FC交換/IB交換機,…,網絡邊緣的業務節點端口如同該交換機的用戶端口。對所有的數據,只需配置上正確的出端口地址,該數據就可以通過橋接網絡送達,而無需關心在網絡內部是如何具體實現的。


 


橋接網絡所使用技術的選擇

數據中心網絡中已經存在有多種網絡業務與數據轉發相分離的解決方案和相應的協議,例如GRE、NvGRE、VPLS、VxLAN、MACinIP等為代表的IT方案,以及TRILL,SPB等為代表的CT方案。對數據中心網絡而言,除了網絡的基本要求外,希望所選擇的技術和標準能夠:


1. 簡單、方便、動態地支持點對點、點對多點、多點對多點的連接業務;


2. 支持端到端得最短路徑;


3. 盡可能多的邏輯網絡和組播、廣播組,以便于支持眾多業務邏輯網絡的需求;


4. 兼容現有多種協議的數據格式,方便地實現業務的無縫互通;


5. 不僅能直接提供CT的解決方案,還需能有效地支持各種IT解決方案;


通常情況下,網絡中的數據層決定了網絡在這種協議下能夠完成什么樣的工作,而控制層則使得這種工作能夠自動、有效地去完成。選用合適的標準協議,數據層起著決定性的作用。


從目前數據中心中所使用協議的數據層上看,IT方案都是以現有二/三層網絡(例如以太+IP網絡)為基礎的,例如:GRE、NvGRE、VPLS、VxLAN等等,其解決方案也都是為解決現有網絡的缺陷和不足、為某一特定問題而設計的。而現有二/三層網絡的的本質問題并沒有得到有效地解決,網絡潛在的資源也未能得到充分地利用。


而以TRILL、SPB為代表的CT方案,則試圖從本質上解決二層網絡的基本問題。由于在具體實施時,CT方案需要對網絡設備進行更新,這與快速發展的數據中心市場需求有著很大的差距。所以CT方案在解決二層網絡基本問題的同時,必須考慮三層網絡的問題,以及如何有效地支持現有的IT方案,并能與之協同工作。


從CT設備供應商的角度出發,二/三層網絡的基本問題不僅存在于數據中心網絡中,還廣泛存在于企業園區網、運營商的局域網、無線接入網等各個網絡系統之中,從根本上解決二/三層網絡的基本問題具有重大的意義。


橋接架構構筑“彈性云網絡”

 

傳統的網絡架構,邊緣和核心都具有相似的功能;這種網絡架構,如果網絡承載的云業務、,服務器和存儲頻繁變化的時候,需要對網絡整網升級,以便支持新特性,將導致網絡維護復雜度較高;另外,在設備上堆疊眾多復雜的業務后,網絡的性能也會受較大影響。


借鑒Internet架構的成功經驗,華為提出“彈性云網絡”的理念,采用先進的橋接交換架構,把復雜的功能部署在網絡邊緣,保持核心網絡的簡潔;并且,增加業務控制層,把容易變化的業務部分,從網絡設備上剝離出去。


“彈性云網絡”兼顧了網絡的高性能和復雜多變的業務處理,在云計算帶來各種新增業務時,整網的設備不需改動,只需要升級業務控制層面,即可部署新的數據中心業務,網絡架構長期穩定。比如:只需要更新IPv6控制平面就能平滑遷移到IPv6,確保核心層的穩定性;只需升級FC網絡控制平面就能做到FCoE協議的升級,從FC-BB-5到FC-BB-6,無需改變網絡核心層。


 


未來新技術對橋接網絡的影響

網絡交換正在由光傳輸、電交換向著光傳輸、光交換的方向發展。由于技術的限制,在一個不太短的時間內,對光信號中的光數據直接進行修改在技術上還難以實現,因而在光交換機中對光信號的直接轉發(即端到端的路由)還是最為簡單和實用的技術方案,而橋接網絡架構中的端到端轉發機制也能很好地適應這種未來技術的發展需要。

來源:煙臺三和網絡系統有限公司
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