数据中心网络架构浅谈(一)

数据中心网络架构浅谈(一)

閱讀本文約花費: 14 (分鐘)

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:

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。

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:

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。

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:

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。

https://zhuanlan.zhihu.com/p/29881248

Rate this post

发表回复

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用*标注