云計算時代實現無阻塞交換

　　云計算時代來臨了，數據中心被推到了浪潮之巔--如何讓數據中心更好的支撐不斷壯大的云計算服務，成為數據中心運營者最為關注的問題。

　　為了實現這一目標，我們建設更大型的數據中心、購買更多更好的服務器，開發更豐富的應用……，那么數據中心的網絡要如何改變?該怎樣改變?千萬不能讓網絡成為數據中心的“阿喀琉斯之踵”.

　　1 云計算時代，網絡亦應隨需而動

　　隨著云計算的興起，數據中心作為云端的核心，承載了越來越多的業務和應用。而業務和應用的豐富，也催生了數據中心的建設高潮。

　　和以往相比，云計算時代的數據中心，在需求和規劃上有著極大的差異。而這些差異也直接催生了數據中心網絡的改變。首當其沖的就是，數據中心流量模型的改變，給數據中心網絡帶來的新需求。

　　據預測，云計算時代，數據中心的網絡流量，將從早期的“80%為南北向流量”,轉變為“70%為東西向流量”.

　　圖1 數據中心網絡流量模型的演進

　　為什么會有這么大的轉變?

　　對于早期的數據中心，其業務主要是數據中心外部對數據中心的訪問，因此流量以南北向為主。基于業務特征，以及出口帶寬的限制，網絡的設計一般是按照一定的比例，逐級收斂的，即：數據中心網絡接入側的帶寬，是網絡匯聚區/核心區帶寬的數倍。常見的帶寬收斂比為：1:3~1:20.

　　而隨著云計算的到來，越來越豐富的業務對數據中心的流量模型產生了巨大的沖擊。如搜索、并行計算等大數據業務，需要大量的服務器組成集群、協同完成工作，這導致服務器之間的流量變得非常大。

　　另外，云計算時代復雜多變的需求，也帶來了流量的不確定性，我們無法再準確預測服務器的流量，無法再通過設計來規劃網絡的帶寬。同時，虛擬化所帶來的虛擬機動態遷移能力，又進一步導致網絡流量模型愈趨復雜、東西向流量愈趨增大。

　　隨著數據中心流量模型的改變，傳統的收斂網絡將不再滿足數據中心的業務需求。我們需要在數據中心內部署無阻塞的網絡，即：數據中心內部，任意服務器之間可以線速交互流量。

　　2 胖樹架構，讓數據中心網絡不再擁塞

　　當前，業界普遍認可的實現無阻塞網絡的技術是：胖樹架構(Fat-Tree,由Charles E. Leiserson于上個世紀八十年代提出)。其基本理念是：使用大量低性能的交換機，構建出大規模的無阻塞網絡。

　　2.1 胖樹架構下，網絡帶寬不收斂

　　傳統的樹形網絡拓撲中，帶寬是逐層收斂的，樹根處的網絡帶寬要遠小于各個葉子處所有帶寬的總和。

　　而胖樹網絡則更像是真實的樹，越到樹根，枝干越粗，即：從葉子到樹根，網絡帶寬不收斂。這是胖樹架構能夠支撐無阻塞網絡的基礎。

　　圖2 胖樹網絡和傳統網絡的邏輯拓撲比較

　　如上圖所示，為了實現網絡帶寬的無收斂，胖樹網絡中的每個節點(根節點除外)都需要保證上行帶寬和下行帶寬相等，并且每個節點都要提供對接入帶寬的線速轉發的能力。

　　下圖是一個2元4層胖樹的物理結構示例(2元：每個葉子交換機接入2臺終端;4層：網絡中的交換機分為4層)。其使用的所有物理交換機都是完全相同的。

　　圖3 胖樹架構的物理拓撲實例

　　從圖中可以看到，每個葉子節點就是一臺物理交換機，接入2臺終端;上面一層的內部節點，則是每個邏輯節點由2臺物理交換機組成;再往上面一層則每個邏輯節點由4臺物理交換機組成;根節點一共有8臺物理交換機。

　　這樣，任意一個邏輯節點，下行帶寬和上行帶寬是完全一致的。這保證了整個網絡帶寬是無收斂的。

　　同時我們還可以看到，對于根節點，有一半的帶寬并沒有被用于下行接入。這是胖樹架構為了支持彈性擴展，而為根節點預留的上行帶寬。通過把胖樹向根部繼續延伸，即可實現網絡規模的彈性擴展。

　　2.2 適應數據中心應用，胖樹需要量體裁衣

　　在胖樹架構中，為了實現彈性的擴展，樹根節點預留了和下行接入能力相同的上行帶寬。而在數據中心實際的建設中，整個網絡的規模是可以提前預知和規劃好的(比如：受機房空間的限制，不可能無限擴容)，因此樹根處一般不需要預留如此大規模的上行帶寬。

　　圖4 減少胖樹網絡的層數