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  • 数据中心网络架构 — 传统数据中心网络 — 胖树型三层网络架构
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    2021-08-22 21:21:57

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    胖树型(Fat-Tree)网络架构

    为了应对传统树型三层网络架构存在带宽收敛的缺陷。在 2008 年,由美国加利福尼亚计算机科学与工程的几位教授发表的一篇论文《A scalable, commodity data center network architecture》中,明确的提出了一种称之为胖树(Fat-Tree)的 CLOS 数据中心网络架构。

    当前,Fat-Tree 是业界普遍认可的实现无阻塞网络的技术。其基本理念正是来自于 CLOS 网络模型:使用大量低性能的交换机,通过多级设备,来构建出大规模的无阻塞网络。并且对于任意的通信模式,总有路径让他们的通信带宽达到网卡带宽。

    Fat-Tree 的另一个好处是,它用到的所有交换机都是相同的,这让我们能够在整个数据中心网络架构中采用廉价的交换机。

    Fat-Tree 是一种无带宽收敛的网络架构

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  • 传统数据中心网络架构基本情况

    千次阅读 2022-03-26 14:12:53
    在分析云数据中心网络架构之前,还是要先充分了解一下传统数据中心。否则,脱离实际去谈,可能会存在捡了芝麻丢了西瓜的情况。因此,结合自己对于运营商数据中心的学习理解,先对传统模式下数据中心网络架构究竟是...

    传统数据中心网络架构

    第一章 Clos网络架构基本概念
    第二章 传统数据中心网络架构



    前言

    自从打算介绍Clos网络架构以来,很多朋友都在发表各自的意见,讲的也都很好。但我总在想,在分析云数据中心网络架构之前,还是要先充分了解一下传统数据中心。否则,脱离实际去谈,可能会存在捡了芝麻丢了西瓜的情况。
    因此,结合自己对于运营商数据中心的学习理解,先对传统模式下数据中心网络架构究竟是怎么回事作一介绍。

    一、传统数据中心网络架构基本情况

    1.基本概念

    数据中心网络包括数据中心之间的网络、数据中心内部网络两种模式。

    1. 数据中心之间网络
      数据中心之间的网络,也称之为DCI(DC internet),是指将分布在各地的数据中心,通过网络化组网方式,组成广义意义上的数据中心集群。
    2. 数据中心内部网络
      数据中心内部网络,也称之为数据中心局域网络,是指将网络分为互联网接入层、核心层和分层三个层次,并通过与服务器集群设计、数据中心用户接入设计、网络路由设计、IP地址规划设计等相结合,实现问题、需求的分层治之。

    2.基本设计原则

    关于网络的设计原则,网络上面介绍的很多。因此在这里只简单列举知识点,不做展开。
    1.可靠性。
    2.可管理。
    3.可拓展
    4.高安全

    二、传统数据中心DCI总体架构

    DCI总体架构,取决于我们的数据中心究竟是单点还是多点部署,这些“点”之间究竟是什么样的运行控制管理模式。此处,假设我们的数据中心分布全国各地,是一体控制、多点协作、共同提供服务的运营模式。

    1.通用架构

    数据中心DCI典型架构

    Site:数据中心,用圆圈大小作为数据中心的等级区分
    NAP:网络接入提供者,相当于是运营商,可以理解为联接所有用户和终端设备的服务商
    NSP:网络服务提供者,可以理解为其他的信息服务提供商,例如冬奥会炸红的咪咕视频

    • 每一个数据中心至少需要有1条链路联结至NAP,建立与互联网的公共通路,保证不管是哪个运营商的用户,都尽可能以最优路径访问到该数据中心。
    • 每一个数据中心至少需要有1条链路联结至NSP,建立专用的通路,保证两者之间有1条带宽和服务质量都得到保证的高速链路。
    • 数据中心之间的网络联接,如图中蓝色粗线和黑色细线为例,更多是作为上述两个联接的补充。一是当某个数据中心无法建立与NAP、NSP的联接时,可以借助与其他数据中心的通路;二是当某个数据中心与所联接的NSP出现通信中断时,可以接到而行。
      说到这里,可能有人会有疑问,不是应该在数据中心之间建立大带宽、高可靠的网络通联吗?为什么在这里反倒成为冗余补充

    之所以会是这种设计,还是需要回到传统数据中心的业务上来。传统数据中心做什么?就做三件事:

    • 虽然遍布全国各地,但都可以看做是一个又一个独立的实体,对外提供主机托管等业务,可以有各自独立的动作,进行独立且互不影响的维护操作。
    • 各个数据中心联合起来,向用户提供全国性的增值服务,例如异地数据灾备镜像和CDN等业务。
    • 通过一个统一的OC(可以是两地),对遍布全国的数据中心进行统一的协调管理。

    在理解了传统数据中心业务之火,再来看为什么会有蓝色粗线和黑色单线的区别。

    • 蓝色粗线代表数据中心之间建立多条大带宽链路,在满足数据中心之间的数据交互之外,还可以作为增值资源提供给用户。例如,某个用户在A数据中心租用空间,开设了对国内的网站服务。除了自己做内容服务之外,还需要抽取某知名网站(假设部署在另一个省,属于另一个运营商的数据中心)的内容信息。此时,数据中心可以直接提供更为可靠、高速且廉价的带宽资源,用户只需要和数据中心谈托管多少设备、需要什么带宽即可。
    • 黑色细线代表数据中心之间仅需构建必要的数据通路。因为按照传统业务,租用链路的钱最好还是花在增加数据中心与NSP、NAP的冗余上更为妥当。

    2.设计原则

    ①数据中心分级

    通常将数据中心分为大、中、小三种规模。
    其中大型数据中心面向全国用户提供访问,中型和小型数据中心面向省内、所在地用户提供访问。

    ②网络设计原则

    • 数据中心之间的网络联接
      依托运营商的骨干网络来实现彼此之间的联接。也就是各个数据中心通过出口路由器,就近接入运营商的骨干节点,但通过策略设置,使得联接仅能用于数据中心之间的数据交互,并不作为用户访问的入口。
    传统数据中心,彼此之间的数据流量主要是网管、计费等管理数据,以及数据异地灾备、CDN等业务数据。
    
     - 对于管理数据,特点是周期性频繁交互,但除系统版本升级等动作外,通常并不会产生长时间占用大量带宽
     - 对于CDN等业务数据,特点是首次部署时需同步数据量大,随后的数据量以增量更新为主。
    

    从以上分析,建设初期,各个数据中心与骨干网络之间,在链路带宽选择上,可以参考大数据中心622M、中型数据中心155M、小型数据中心100M。提醒一下,仅做参考。而且需要注意的是,即便要选择更大的带宽,也要注意不超过所联接骨干节点的上联带宽。例如,骨干节点对外的联接为1G,就没有必要用10G端口去联接它。

    • 数据中心与NSP、NAP的网络联接

    考虑经济因素等原因,最初可以只推进几个大型数据中心与NSP、NAP之间的联接。例如,依托北上广等国际、国内互联网最为主要的出口局、汇聚点,建立数据中心与NSP、NAP的联接。
    对于其他数据中心是否需要建立、何时建立的问题,可以在投入运营后,通过分析用户访问行为,视情增加。
    采用这种模式的原因在于:

    
     - 在数据中心规划设计阶段,对于网络的需求往往并不明确。
     - 虽然可以通过预估和分析即将提供的服务等方式,对用户访问群体、地域、频度等做出预估,
     但这往往会带来需求过大、过泛等问题。
    

    而且,在建设初期适当控制网络带宽方面的投入,将经费一定程度上投入到运营方面,也是一个不错的选择。

    三、传统数据中心内部网络结构

    传统数据中心,出于控制泛洪、隔离故障、简化管理等目的,通常会采取将内部网络划分为多个不同层次的方法。
    传统数据中心内部网络的经典拓扑
    先放上一张关于传统数据中心内部网络的经典拓扑图。对于从事计算机网络专业的人而言,这张图并不陌生。如果对于拓扑再适度抽象,就会是如下的三层结构。
    传统数据中心内部网络

    1.互联网接入层

    互联网接入层提供数据中心与国际互联网、其他数据中心的联接。

    • 在路由协议上,通常采用eBGP与外界联接
    • 对下采用IGP协议联接

    2.核心层

    是数据中心内部各个网络之间的统一数据交换中心。交换机之间,通常采用堆叠方式
    通常可以采用两种方式:

    ①方式一

    • 对上采用IGP协议联接
    • 对下通常采用LACP链路聚合方式,实现更加可靠的冗余备份
    • 存在二层环路的风险。但由于STP的天生缺陷,最初采用STP的较多,后期大多通过细化配置,停用STP。

    ②方式二

    • 对上同样采用IGP协议联接
    • 对下也采用IGP协议,利用IGP的ECMP实现链路冗余备份

    3.分布层

    分布层的主要任务就是,从位于不同网段的服务器收集数据并发送至核心层交换机。

    • 通常情况下,分布层与机柜内服务器直接联接。
    • 从减少缆线布放复杂度出发,也可以在分布层交换机与服务器之间增加TOR架顶交换机
    • 对下接口,可以与bind做结合,实现服务器对上的链路冗余备份。

    当然,这种三层划分也并不绝对。对于小型数据中心,完全可以把核心层与分布层合并为同一层设备。
    下面再放一张典型的网络结构图:

    在这里插入图片描述

    总结

    写文字是一件比较痛苦的事,因为写着写着就忘了自己要面对的受众是谁。
    就好像这次,本来是想着写点稍微有点技术含量的,例如如何控制数据中心与NSP路由等,但为了追求完整,再加上时间关系,又只能简单描述一些概念。
    但是离自己最想说的脸书网络架构越来越近了,有点期待。

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    生产区小型机

    生产区

    备份区

    LAN

    存储虚拟化设备

    异构存储 B

    备份区存储

    生产存储A

    备份区小型机

    开发测试集群、综合管理集群

    ......

    高性能x86服务器

    生产卷

    副本卷

    生产卷

    Unix小型机

    Unix小型机

    高性能x86服务器

    数据中心以太网

    本地用户

    远程用户

    LAN

    数据中心内部IT基础架构示意图

    应用环境

    容灾迁移

    存储网络级联

    SAN交换机

    SAN交换机

    核心生产集群

    ......

    存储虚拟化设备

    备份设备

    虚拟磁带库

    备份设备

    物理磁带库

    存储虚拟化资源池

    X86服务器虚拟化资源池

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  • 数据中心网络架构浅谈(一)

    万次阅读 多人点赞 2018-01-17 20:56:48
    不论我们在讨论SDN,NFV或者其他的虚拟网络技术,有一点需要明确,网络数据包最终都是跑在物理网络上。物理网络的特性,例如带宽,MTU,延时等,最终直接或者间接决定了虚拟虚拟网络的特性。可以说物理网络决定了...

    不论我们在讨论SDN,NFV或者其他的虚拟网络技术,有一点需要明确,网络数据包最终都是跑在物理网络上。物理网络的特性,例如带宽,MTU,延时等,最终直接或者间接决定了虚拟虚拟网络的特性。可以说物理网络决定了虚拟网络的“天花板”。在Mirantis对OpenStack Neutron的性能测试报告中可以看出,网络设备的升级和调整,例如采用高速网卡,配置MTU9000,可以明显提高虚拟网络的传输效率。在对网络性能进行优化时,有些物理网络特性可以通过升级设备或线路来提升,但是有些与网络架构有关。升级或者改动网络架构带来的风险和成本是巨大的,因此在架设数据中心初始,网络架构的选择和设计尤其需要谨慎。另一方面,在设计虚拟网络时,不可避免的需要考虑实际的物理网络架构,理解物理网络架构对于最终理解虚拟网络是不可缺少的。

    接下来我将分几次说一说自己对数据中心网络架构的认识,想到哪说到哪,不对的地方请大家指正。

    传统数据中心网络架构
    在传统的大型数据中心,网络通常是三层结构。Cisco称之为:分级的互连网络模型(hierarchical inter-networking model)。这个模型包含了以下三层:

    Access Layer(接入层):有时也称为Edge Layer。接入交换机通常位于机架顶部,所以它们也被称为ToR(Top of Rack)交换机,它们物理连接服务器。
    Aggregation Layer(汇聚层):有时候也称为Distribution Layer。汇聚交换机连接Access交换机,同时提供其他的服务,例如防火墙,SSL offload,入侵检测,网络分析等。
    Core Layer(核心层):核心交换机为进出数据中心的包提供高速的转发,为多个汇聚层提供连接性,核心交换机为通常为整个网络提供一个弹性的L3路由网络。
    一个三层网络架构示意图如下所示:
    图片描述

    通常情况下,汇聚交换机是L2和L3网络的分界点,汇聚交换机以下的是L2网络,以上是L3网络。每组汇聚交换机管理一个POD(Point Of Delivery),每个POD内都是独立的VLAN网络。服务器在POD内迁移不必修改IP地址和默认网关,因为一个POD对应一个L2广播域。

    汇聚交换机和接入交换机之间通常使用STP(Spanning Tree Protocol)。STP使得对于一个VLAN网络只有一个汇聚层交换机可用,其他的汇聚层交换机在出现故障时才被使用(上图中的虚线)。也就是说汇聚层是一个active-passive的HA模式。这样在汇聚层,做不到水平扩展,因为就算加入多个汇聚层交换机,仍然只有一个在工作。一些私有的协议,例如Cisco的vPC(Virtual Port Channel)可以提升汇聚层交换机的利用率,但是一方面,这是私有协议,另一方面,vPC也不能真正做到完全的水平扩展。下图是一个汇聚层作为L2/L3分界线,且采用vPC的网络架构。
    图片描述

    随着云计算的发展,计算资源被池化,为了使得计算资源可以任意分配,需要一个大二层的网络架构。即整个数据中心网络都是一个L2广播域,这样,服务器可以在任意地点创建,迁移,而不需要对IP地址或者默认网关做修改。大二层网络架构,L2/L3分界在核心交换机,核心交换机以下,也就是整个数据中心,是L2网络(当然,可以包含多个VLAN,VLAN之间通过核心交换机做路由进行连通)。大二层的网络架构如下图所示:
    图片描述

    大二层网络架构虽然使得虚机网络能够灵活创建,但是带来的问题也是明显的。共享的L2广播域带来的BUM(Broadcast·,Unknown Unicast,Multicast)风暴随着网络规模的增加而明显增加,最终将影响正常的网络流量。

    传统三层网络架构已经存在几十年,并且现在有些数据中心中仍然使用这种架构。这种架构提出的最初原因是什么?一方面是因为早期L3路由设备比L2桥接设备贵得多。即使是现在,核心交换机也比汇聚接入层设备贵不少。采用这种架构,使用一组核心交换机可以连接多个汇聚层POD,例如上面的图中,一对核心交换机连接了多个汇聚层POD。另一方面,早期的数据中心,大部分流量是南北向流量。例如,一个服务器上部署了WEB应用,供数据中心之外的客户端使用。使用这种架构可以在核心交换机统一控制数据的流入流出,添加负载均衡器,为数据流量做负载均衡等。

    技术发展对网络架构的影响
    数据中心是为了数据服务。随着技术的发展,数据的内容和形式也发生了变化。

    虚拟化的流行。传统的数据中心中,服务器的利用率并不高,采用三层网络架构配合一定的超占比(oversubscription),能够有效的共享利用核心交换机和一些其他网络设备的性能。但是虚拟化的流行使得服务器的利用率变高,一个物理服务器可以虚拟出多个虚拟机,分别运行各自的任务,走自己的网络路径。因此,高的服务器利用率要求更小的超占比。Gartner的一份报告:Forecast: x86 Server Virtualization, Worldwide, 2012-2018, 2014 Update指出,在2018年,82%的服务器将是虚拟服务器。虚拟化对数据中心网络架构的影响是巨大的。
    软件架构的解耦。传统的软件架构,采用专用模式进行部署,软件系统通常跑在一个物理服务器,与其他的系统做物理隔离。但是,模块化,分层的软件架构设计已经成为了现在的主流。一个系统的多个组件通常分布在多个虚机/容器中。最典型的就是三层WEB应用,包含了Client/Application/DB。一次请求,不再是由一个虚机/物理机完成,而是由多个服务器协同完成。这对网络的影响是,东西向流量变多了。
    新的应用的兴起。传统数据中心是为.com应用设计的,这些流量大多是客户端和服务器之间的通信。而分布式计算,大数据渐渐兴起,这些应用会在数据中心的服务器之间产生大量的流量。例如Hadoop,将数据分布在数据中心中成百上千个服务器中,进行并行计算。据说Facebook的一个Hadoop集群有着超过100 petabytes的数据。可见对于某些应用,数据中心的东西向流量是巨大的。
    软件定义数据中心(SDDC,Software Defined Data Center)的提出。SDDC提出软件定义的数据中心,这要求数据中心的计算存储网络都是可以软件定义的。对应于网络,就是SDN。传统的三层网络架构在设计之初并没有考虑SDN。
    总结起来,技术发展要求新的数据中心有更小的超占比,甚至没有超占比;更高的东西向流量带宽;支持SDN。

    在这些需求里面,更高的东西向流量支持尤为重要。前面说了南北向流量,东西向流量,这些分别是什么东东?数据中心的流量总的来说可以分为以下几种:

    南北向流量:数据中心之外的客户端到数据中心服务器之间的流量,或者数据中心服务器访问互联网的流量。
    东西向流量:数据中心内的服务器之间的流量。
    跨数据中心流量:跨数据中心的流量,例如数据中心之间的灾备,私有云和公有云之间的通讯。
    根据Cisco Global Cloud Index: Forecast and Methodology, 2015–2020,到2020年77%的数据中心流量将会是数据中心内部的流量,也就是东西向流量,这与上面的技术发展对网络架构的影响分析相符,这也是为什么东西向流量尤其重要。
    图片描述

    那传统三层网络架构下的东西向流量是怎么样的?

    前面说过传统三层网络架构的诞生是在.com时代,主要是也为了南北向流量设计的。但是传统的网络架构并非不支持东西向流量,下面来分析一下传统三层网络架构中东西向流量走向。

    首先,东西向流量分为L2和L3流量。

    东西向的L2流量,如果源和目的主机都在同一个接入层交换机下,那么可以达到全速,因为接入交换机就能完成转发。

    如果需要跨机架,但仍然是在一个汇聚层POD内,则需要通过汇聚层交换机进行转发,带宽取决于汇聚层交换机的转发速率,端口带宽和同时有多少个接入层交换机共享汇聚层交换机。前面说过汇聚层和接入层之间一般使用STP,这使得一个汇聚层POD只能有一个汇聚层交换机在工作。为了满足跨机架的L2转发,汇聚层交换机的性能,例如带宽,转发速率必然要大于接入层交换机。

    如果L2流量需要跨汇聚层POD(大二层架构),那必须经过核心交换机。同样的问题仍然存在,对核心交换机的要求会更高。

    东西向的L3流量,不论是不是在一个接入层交换机下,都需要走到具有L3功能的核心交换机才能完成转发。如下图所示:
    图片描述

    这是一种发卡(hair-pin)流量,它不仅浪费了宝贵的核心交换机资源,而且多层的转发增加了网络传输的延时。同样,由于超占比的存在,它也不能保证全速的L3流量。

    总的来说,为了保证任意的东西向流量带宽,势必需要更高性能的汇聚层交换机和核心交换机。另一方面,也可以小心的进行设计,尽量将有东西向流量的服务器置于同一个接入交换机下。不管怎么样,这都增加了成本,降低了可用性。

    市场需求变化对网络架构的影响
    由于成本和运维因素,数据中心一般是大企业才有能力部署。但是随着技术的发展,一些中小型企业也需要部署数据中心。不同的是,中小型企业的需求一般是,以一个小规模启动,随着自身业务的增长再逐步的扩展数据中心。数据中心的规模很大程度上取决于网络的规模,对应网络的需求就是,以一个低成本,小规模的网络架构启动,但是要能够水平扩展到较大规模。

    传统三层网络架构的规模取决于核心层设备的性能和规模,取决于交换机的端口密度。最大的数据中心对应着体积最大和性能最高的网络设备,这种规模的设备并非所有的网络设备商都能提供,并且对应的资金成本和运维成本也较高。采用传统三层网络架构,企业将面临成本和可扩展性的两难选择。

    最后
    传统的三层网络架构必然不会在短期内消失,但是由于技术和市场的发展,其短板也越来越明显。基于现有网络架构的改进显得非常有必要,新的网络架构最好是:由相对较小规模的交换机构成,可以方便的水平扩展,较好的支持HA(active-active模式),支持全速的东西向流量,不采购高性能的核心交换机也能去除超占比,支持SDN等等。

    ==========================================================
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