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云计算时代,数据中心架构三层到大二层的演变

发布时间:2019-05-16 16:14 所属栏目:[外闻] 来源:蛋蛋团
导读:1.数据中心是什么 数据中心,指用于安置计算机系统及相关部件的设施,例如电信和储存系统。 为了满足自身的业务需求,保证数据的稳定和可靠。无论是互联网还是传统行业,都会有自己或大或小的数据中心,甚至如阿里云和亚马逊这种专门以出租计算资源的云计

1.数据中心是什么

数据中心,指用于安置计算机系统及相关部件的设施,例如电信和储存系统。

云计算时代,数据中心架构三层到大二层的演变

为了满足自身的业务需求,保证数据的稳定和可靠。无论是互联网还是传统行业,都会有自己或大或小的数据中心,甚至如阿里云和亚马逊这种专门以出租计算资源的云计算公司,更是在全世界各地建立了不等的数据中心。

尽管到到如今的云计算时代,将数据中心自身的资源虚拟化以达到更高的利用率,有一点肯定,物理资源决定了虚拟资源的天花板。

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。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。

那么,从过去的传统数据中心,到如今的云计算时代数据中心,中间经历了怎样的变迁呢?

2.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)。

三层网络结构是采用层次化架构的三层网络,有三个层次:核心层(网络的高速交换主干)、汇聚层(提供基于策略的连接)、接入层(将工作站接入网络),这个模型如下:

  • 接入层(Access 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。
  • 汇聚层(Aggregation 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。
  • 核心层(Core Layer):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:

云计算时代,数据中心架构三层到大二层的演变

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。

云计算时代,数据中心架构三层到大二层的演变

汇聚交换机和接入交换机之间通常使用STP(Spanning Tree Protocol,生成树协议)。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。

云计算时代,数据中心架构三层到大二层的演变

传统的数据中心网络技术,STP 是二层网络中非常重要的一种协议。在二层有一个相当矛盾的点,那就是可靠性和安全性的矛盾。

可靠性是指构建二层网络时,一般会采用会采用设备冗余和链路冗余的方式。

安全性是指二层交换机同处于一个广播域,广播报文在环路中会反复持续传送,可能会形成广播风暴,所以必须防止形成环路。

要想两种同时达到,可以采用STP(生成树协议)自动控制,即冗余设备和冗余链路成备份,在正常情况下被阻塞掉,当出现链路故障时冗余的设备端口和链路才会被打开。

云计算时代,数据中心架构三层到大二层的演变

由于 STP 的收敛性能等原因, 一般情况下 STP 的网络规模不会超过 100台交换机。STP的这种机制导致了二层链路利用率不足,尤其是在网络设备具有全连接拓扑关系时,这种缺陷尤为突出。

云计算时代,数据中心架构三层到大二层的演变

如上图所示,当采用全网STP二层设计时,STP将阻塞大多数链路,使接入到汇聚间带宽降至1/4,汇聚至核心间带宽降至1/8。这种缺陷造成越接近树根的交换机,端口拥塞越严重,造成的带宽资源浪费就越可观。

3.云计算的发展对数据中心的影响

随着互联网的发展带来的数据大爆发以及虚拟化技术的发展,计算资源被池化,对数据中心也提出了新的挑战:动态迁移和高性能。

采用大二层网络架构,可以实现整个数据网络都是L2广播域,这样即可实现动态迁移。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:

云计算时代,数据中心架构三层到大二层的演变

相对于之前的基础架构而言,具有如下特点:

①资源池化——硬件服务器通过虚拟化技术进行部分硬件资源的整合,构造计算资源池化

②统一管理——在虚拟化平台上建立虚拟机,在虚拟机里部署业务,实现平台上虚拟机的统一维护和管理

③横向扩展——计算资源不够,可以直接补充硬件服务器达到资源扩展

然而,传统大二层的缺点也和明显,共享的L2广播域带来的BUM(二层数据链路层的报文)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。

同时,虚拟机可以迁移,但是如何达到迁移过程中用户无感知,IP地址等不改变呢?即实现动态迁移。

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