100G以太網(wǎng)技術(shù)

 

　　帶寬壓力是云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的核心問題。在數(shù)據(jù)中心，像視頻點(diǎn)播、10G的FCOE、以及高性能計(jì)算這樣的高帶寬應(yīng)用，都需要萬兆以太網(wǎng)接口。最近兩年正值數(shù)據(jù)中心高速成長(zhǎng)的時(shí)期，隨著服務(wù)器和接入設(shè)備上萬兆以太網(wǎng)的普及，數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)匯聚層和核心層設(shè)備對(duì)100G以太網(wǎng)的需求越來越強(qiáng)烈。2010年IEEE正式發(fā)布40G/100G標(biāo)準(zhǔn)，這一標(biāo)準(zhǔn)的正式批準(zhǔn)，為100G高速以太網(wǎng)應(yīng)用，鋪平了發(fā)展之路。100G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來并不僅僅意味著端口、帶寬速度的升級(jí)，不只是在數(shù)據(jù)傳輸速率上比10G快了10倍，更重要的是由此帶來的功能上的極大增強(qiáng)和豐富。作為新一代的云數(shù)據(jù)中心，必將在其匯聚層或核心層采用100G以太網(wǎng)以滿足應(yīng)用需求，云數(shù)據(jù)中心將進(jìn)入100G時(shí)代。

 

　　浪涌緩存

 

　　浪涌(一般網(wǎng)絡(luò)條件下稱為突發(fā)流量，即Burst)表示是瞬間的高速流量。這種情況在互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)承載搜索業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)中心中表現(xiàn)尤為明顯。數(shù)據(jù)中心處理一次搜索業(yè)務(wù)，一般是由一個(gè)服務(wù)器發(fā)起，然后通過一系列算法向數(shù)據(jù)中心中保存有搜索信息的業(yè)務(wù)服務(wù)器發(fā)起搜索請(qǐng)求，這些服務(wù)器通常有上千臺(tái)，然后上千臺(tái)服務(wù)器幾乎同一時(shí)間將搜索結(jié)果發(fā)回給發(fā)請(qǐng)求的服務(wù)器。這種流量模型是典型的多端口打一口的網(wǎng)絡(luò)，在這樣的數(shù)據(jù)中心中就會(huì)頻繁出現(xiàn)浪涌現(xiàn)象。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)采用出端口緩存的機(jī)制，使得所有數(shù)據(jù)流的突發(fā)在出端口處被緩存，緩存的大小即是網(wǎng)絡(luò)最大可能的突發(fā)值。

 

　　云數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的特點(diǎn)要求緩存要大，所以一般云數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備必須具備超大緩存(1G以上)。同時(shí)不再采用出端口緩存，而采用入端口緩存。入端口緩存結(jié)合虛擬輸出隊(duì)列(VOQ)技術(shù)，在每個(gè)入端口的方向配置大容量緩存，在出端口配置較小緩存，使用專用流量管理器件(TM)進(jìn)行內(nèi)部流量管理。采用Credit來控制每個(gè)端口入方向的數(shù)據(jù)向出端口的突發(fā)，每個(gè)出端口向其它端口分配Credit數(shù)量。當(dāng)出端口在線速向外轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，如果入方向過來的速度較快，在達(dá)到或超過出端口設(shè)定的突發(fā)門限時(shí)，出端口不再為入端口分配Credit，從而使得入端口的數(shù)據(jù)緩存在本地的大容量Buffer中，當(dāng)出端口的排隊(duì)下降到門限以下，繼續(xù)向入端口分配Credit，使得緩存的數(shù)據(jù)得以繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)。

 

　　這種浪涌緩存技術(shù)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)不同方向的瞬時(shí)流量擁塞壓力，是當(dāng)前云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的主要應(yīng)用技術(shù)。

 

　　網(wǎng)絡(luò)虛擬化

 

　　傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由于多層結(jié)構(gòu)，安全區(qū)域，安全等級(jí)，策略部署，路由控制，VLAN劃分，二層環(huán)路，冗余設(shè)計(jì)等諸多因素，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，使得數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)管理難度較高。云數(shù)據(jù)中心需要管理的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備會(huì)更多，必須引入虛擬化技術(shù)進(jìn)行設(shè)備管理。通過虛擬化技術(shù)，用戶可以將多臺(tái)設(shè)備連接，“橫向整合”起來，組成一個(gè)“聯(lián)合設(shè)備”，并將這些設(shè)備看作單一設(shè)備進(jìn)行管理和使用。用戶也可以將一臺(tái)設(shè)備分割成多個(gè)虛擬設(shè)備，這些設(shè)備之間完全獨(dú)立，可以分別管理。這將極大簡(jiǎn)化云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)管理。

 

　　統(tǒng)一交換

 

　　云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的性能要求超過常規(guī)應(yīng)用數(shù)據(jù)中心，這樣的要求使得網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)構(gòu)建上性能的考慮區(qū)別于傳統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)需要具備“統(tǒng)一交換”的無阻塞全線速交換架構(gòu)。

 

　　線速指的是線路數(shù)據(jù)傳送的實(shí)際速率能夠達(dá)到名義值，比如千兆端口能夠?qū)嶋H吞吐量到千兆。全線速指的是交換機(jī)所有端口能夠同時(shí)達(dá)到線速轉(zhuǎn)發(fā)，這個(gè)能力體現(xiàn)了交換機(jī)的性能。“無阻塞”全線速指的是交換的任意大小字節(jié)的報(bào)文均能夠達(dá)到全線速的能力，所有端口都以線速接受偵，并能無延遲地處理。實(shí)現(xiàn)無阻塞全線速的架構(gòu)就是統(tǒng)一交換技術(shù)。

 

　　傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的交換架構(gòu)通過Crossbar高性能交換網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)在Crossbar內(nèi)部選路是固定的，同一數(shù)據(jù)流在內(nèi)部的運(yùn)轉(zhuǎn)路徑通過HASH算法確定。這樣在特殊情況下，在交換不同階層上仍會(huì)發(fā)生阻塞的現(xiàn)象。隨著近年來應(yīng)用不斷豐富，業(yè)務(wù)規(guī)模不斷擴(kuò)大和實(shí)際帶寬消耗迅猛增長(zhǎng)，已經(jīng)出現(xiàn)了傳統(tǒng)交換架構(gòu)在互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心難以滿足性能需求的現(xiàn)狀。統(tǒng)一交換架構(gòu)在系統(tǒng)內(nèi)部采用動(dòng)態(tài)選路方式，業(yè)務(wù)線卡接收到的數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行等長(zhǎng)切片處理形成定長(zhǎng)信元，每個(gè)信元加載動(dòng)態(tài)選路的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)出現(xiàn)路徑不可用或網(wǎng)板、線卡故障時(shí)，選路信息會(huì)動(dòng)態(tài)改變，由硬件系統(tǒng)自動(dòng)切換到正常的路徑上。通過統(tǒng)一交換架構(gòu)真正實(shí)現(xiàn)了無阻塞全線速的網(wǎng)絡(luò)。

 

　　綠色節(jié)能技術(shù)

 

　　云數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)是數(shù)據(jù)中心中能耗的主要組成部分之一，只有通過降低網(wǎng)絡(luò)的能耗才能提升云數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行效率。云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)必須采用綠色節(jié)能技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備消耗的功率是該設(shè)備內(nèi)所有器件消耗功率的總和，選擇低功耗的器件是實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的源頭，其帶來的效果不僅僅是整機(jī)功耗簡(jiǎn)單累加后的降低，還將降低熱設(shè)計(jì)的代價(jià)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的電源系統(tǒng)要采用完備的靈活電源智能管理，自動(dòng)調(diào)節(jié)功率分配。云數(shù)據(jù)中心要采用具有綠色節(jié)能認(rèn)證的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

 

　　在2013年中國(guó)電信、中國(guó)移動(dòng)等企業(yè)的新一輪數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備集采測(cè)試中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功耗將作為一項(xiàng)重要的測(cè)試指標(biāo)，能耗過高的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將出局。未來的云數(shù)據(jù)中心必將全部采用低功耗的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，只有綠色節(jié)能的網(wǎng)絡(luò)才是高效的網(wǎng)絡(luò)。

　　網(wǎng)絡(luò)部分雖然只占了整體數(shù)據(jù)中心的15%左右。但是由于越來越多的工作依賴于網(wǎng)絡(luò)，這也促使網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了空前的大發(fā)展，使得云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)具有的諸多區(qū)別以往數(shù)據(jù)中心的新特性。

 

　　因此入端口緩存機(jī)制下，各端口的數(shù)據(jù)在出端口擁塞時(shí)都能在本地緩存，因而緩存容量是與入端口數(shù)成正比的線性關(guān)系，這種線性比例的緩存能力，能夠自適應(yīng)余云計(jì)算的不定向浪涌流量，

 

　　對(duì)于設(shè)備商和廣大運(yùn)營(yíng)商用戶而言，100G網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)該包括IPV6、網(wǎng)絡(luò)安全以及網(wǎng)絡(luò)虛擬化等全新的技術(shù)特征在其中，也就是說，100G作為新一代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的重要環(huán)節(jié)，將在IDC內(nèi)部掀起一場(chǎng)新的技術(shù)革命，更加綠色，更高效率的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)所替代。

 

　　IDC網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部大量突發(fā)流量，運(yùn)營(yíng)商起碼要實(shí)現(xiàn)100G的無阻塞交換，并具備大容量的緩存平臺(tái)，云化IDC的最終目的是提高設(shè)備的利用率和業(yè)務(wù)的靈活性，而IDC所具備的這種彈性，可擴(kuò)展能力都需要借助IDC網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，而網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一交換包括FCoE、CEE等技術(shù)，則是為了更好地支撐異構(gòu)計(jì)算、存儲(chǔ)等資源的整合。

 

　　網(wǎng)絡(luò)的交換容量和網(wǎng)絡(luò)浪涌的吸收容量即是云計(jì)算(或大型數(shù)據(jù)中心)網(wǎng)絡(luò)的性能關(guān)注點(diǎn)要同時(shí)關(guān)注的兩方面。

 

　　超線速：如千兆端口能夠吞吐的流量超過一千兆(一般也就超出一點(diǎn)點(diǎn))這種交換機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)線速設(shè)備對(duì)接后容易產(chǎn)生丟包甚至將標(biāo)準(zhǔn)交換機(jī)“堵死”，在數(shù)據(jù)中心環(huán)境下極少數(shù)情況也允許滿足超線速的組網(wǎng)，知識(shí)對(duì)交換機(jī)有特殊要求。