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乱世王者小金龙哪来的:云計算時代,數據中心架構三層到大二層的演變

時間:2019-05-16 11:00:09來源:蛋蛋團作者:佚名

    乱世王者8天150万 www.bubvk.icu 1.數據中心是什么

    數據中心,指用于安置計算機系統及相關部件的設施,例如電信和儲存系統。

    云計算時代,數據中心架構三層到大二層的演變

    為了滿足自身的業務需求,保證數據的穩定和可靠。無論是互聯網還是傳統行業,都會有自己或大或小的數據中心,甚至如阿里云和亞馬遜這種專門以出租計算資源的云計算公司,更是在全世界各地建立了不等的數據中心。

    盡管到到如今的云計算時代,將數據中心自身的資源虛擬化以達到更高的利用率,有一點肯定,物理資源決定了虛擬資源的天花板。

    物理網絡的特性,例如帶寬,MTU,延時等,最終直接或者間接決定了虛擬虛擬網絡的特性。對網絡性能進行優化時,有些物理網絡特性可以通過升級設備或線路來提升,但是有些與網絡架構有關。升級或者改動網絡架構帶來的風險和成本是巨大的,因此在架設數據中心初始,網絡架構的選擇和設計尤其需要謹慎。

    那么,從過去的傳統數據中心,到如今的云計算時代數據中心,中間經歷了怎樣的變遷呢?

    2.傳統數據中心網絡架構

    在傳統的大型數據中心,網絡通常是三層結構。Cisco稱之為:分級的互連網絡模型(hierarchical inter-networking model)。

    三層網絡結構是采用層次化架構的三層網絡,有三個層次:核心層(網絡的高速交換主干)、匯聚層(提供基于策略的連接)、接入層(將工作站接入網絡),這個模型如下:

    • 接入層(Access Layer):接入交換機通常位于機架頂部,所以它們也被稱為ToR(Top of Rack)交換機,它們物理連接服務器。
    • 匯聚層(Aggregation Layer):匯聚交換機連接Access交換機,同時提供其他的服務,例如防火墻,SSL offload,入侵檢測,網絡分析等。
    • 核心層(Core Layer):核心交換機為進出數據中心的包提供高速的轉發,為多個匯聚層提供連接性,核心交換機為通常為整個網絡提供一個彈性的L3路由網絡。 一個三層網絡架構示意圖如下所示:

    云計算時代,數據中心架構三層到大二層的演變

    通常情況下,匯聚交換機是L2和L3網絡的分界點,匯聚交換機以下的是L2網絡,以上是L3網絡。每組匯聚交換機管理一個POD(Point Of Delivery),每個POD內都是獨立的VLAN網絡。

    服務器在POD內遷移不必修改IP地址和默認網關,因為一個POD對應一個L2廣播域。

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    匯聚交換機和接入交換機之間通常使用STP(Spanning Tree Protocol,生成樹協議)。STP使得對于一個VLAN網絡只有一個匯聚層交換機可用,其他的匯聚層交換機在出現故障時才被使用(上圖中的虛線)。

    也就是說匯聚層是一個active-passive的HA模式。這樣在匯聚層,做不到水平擴展,因為就算加入多個匯聚層交換機,仍然只有一個在工作。

    一些私有的協議,例如Cisco的vPC(Virtual Port Channel)可以提升匯聚層交換機的利用率,但是一方面,這是私有協議,另一方面,vPC也不能真正做到完全的水平擴展。

    下圖是一個匯聚層作為L2/L3分界線,且采用vPC的網絡架構。

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    傳統的數據中心網絡技術,STP 是二層網絡中非常重要的一種協議。在二層有一個相當矛盾的點,那就是可靠性和安全性的矛盾。

    可靠性是指構建二層網絡時,一般會采用會采用設備冗余和鏈路冗余的方式。

    安全性是指二層交換機同處于一個廣播域,廣播報文在環路中會反復持續傳送,可能會形成廣播風暴,所以必須防止形成環路。

    要想兩種同時達到,可以采用STP(生成樹協議)自動控制,即冗余設備和冗余鏈路成備份,在正常情況下被阻塞掉,當出現鏈路故障時冗余的設備端口和鏈路才會被打開。

    云計算時代,數據中心架構三層到大二層的演變

    由于 STP 的收斂性能等原因, 一般情況下 STP 的網絡規模不會超過 100臺交換機。STP的這種機制導致了二層鏈路利用率不足,尤其是在網絡設備具有全連接拓撲關系時,這種缺陷尤為突出。

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    如上圖所示,當采用全網STP二層設計時,STP將阻塞大多數鏈路,使接入到匯聚間帶寬降至1/4,匯聚至核心間帶寬降至1/8。這種缺陷造成越接近樹根的交換機,端口擁塞越嚴重,造成的帶寬資源浪費就越可觀。

    3.云計算的發展對數據中心的影響

    隨著互聯網的發展帶來的數據大爆發以及虛擬化技術的發展,計算資源被池化,對數據中心也提出了新的挑戰:動態遷移和高性能。

    采用大二層網絡架構,可以實現整個數據網絡都是L2廣播域,這樣即可實現動態遷移。大二層網絡架構,L2/L3分界在核心交換機,核心交換機以下,也就是整個數據中心,是L2網絡(當然,可以包含多個VLAN,VLAN之間通過核心交換機做路由進行連通)。大二層的網絡架構如下圖所示:

    云計算時代,數據中心架構三層到大二層的演變

    相對于之前的基礎架構而言,具有如下特點:

    ①資源池化——硬件服務器通過虛擬化技術進行部分硬件資源的整合,構造計算資源池化

    ②統一管理——在虛擬化平臺上建立虛擬機,在虛擬機里部署業務,實現平臺上虛擬機的統一維護和管理

    ③橫向擴展——計算資源不夠,可以直接補充硬件服務器達到資源擴展

    然而,傳統大二層的缺點也和明顯,共享的L2廣播域帶來的BUM(二層數據鏈路層的報文)風暴隨著網絡規模的增加而明顯增加,最終將影響正常的網絡流量。

    同時,虛擬機可以遷移,但是如何達到遷移過程中用戶無感知,IP地址等不改變呢?即實現動態遷移。

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