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【摘要】数据中心是数据的传输、计算和存储的中心，集中了各种软硬件资源和关键业务系统，面临异构环境问题、业务融合问题、管理规范等非常复杂的问题，给数据中心的管理带来了巨大挑战，如何构建新一代数据中心网络成为时代主题。
【关键词】数据中心；网络结构；无线DDN；SDN网络
Trends in Data Center Network Architecture
Zhao Hong
（Tianyuan Ruixin Communication Technology Co.， LtdXi'anShaanxi710075）
【Abstract】The data center is the center of data transmission， computing and storage， which focuses on various hardware and software resources and key business systems， which are faced with problems such as heterogeneous environment problems， business integration problems and management specifications， and bring data management to the data center. A great challenge， how to build a new generation of data center network to become the theme of the times.
【Key words】Data center；Network structure；Wireless DDN；SDN network
1. 前言
（1）“数据中心”是一整套复杂的设施，它不仅仅包括计算机系统和其它与之配套的设备（例如通信和存储系统），还包含冗余的数据通信连接、环境控制设备、监控设备以及各种安全装置。[1]谷歌在其发布的《The Datacenter as a Computer》一书中，将数据中心解释为“多功能的建筑物”，能容纳多个服务器 以及通信设备。这些设备被放置在一起是因为它们具有相同的对环境的要求以及物理安全上的需求，并且这样放置便于维护，而“并不仅仅是一些服务器的集合”[2]。
（2）采用internet接入时，只需要一台能上网的PC加数据中心软件即可。文中路由器指的是一般公司上网时是通过路由器上网的，此时须在路由器上做一些设置。也可直接把宽带接入线接至PC中来实现。不需要ISP开通服务。但在根据获取的外网IP地址及方式选择采用合适的动态域名软件（见图1）。
2. 组网结构
无线DDN系统分为监测点和数据中心两部分，监测点采用GPRS DTU，可提供RS-232、RS485、以及以太网接口，数据中采用宽带ADSL或专线方式接入Internet，具体接入方式如下：
2.1监测点接入方式：监测点通过RS-232、RS485或以太网接口与GPRS DTU传输模块连接，然后设置DTU相关参数，每一个GPRS DTU传输模块装入一个中国移动的数据SIM卡即可。
2.2数据中心接入方式：数据中心接入主要分两大类：
（1）采用Internet接入 数据中心采用宽带ADSL接入方式，此种方式优点是带宽大、费用经济。缺点是安全性较差、延时比专线接入稍大。采用局域网共享上网方式，此种方式基本同ADSL接入类似，但注意接入时需做端口映射。采用电话线拨号上网方式。此种方式接入带宽较窄。所以只适合于点数较少，且数据量小的组网方式。网络拓扑图如下（见图2）：
（2）移动公司接入数据中心采用无线网络运营商（指中国移动）提供信道接入，此种方式实际中有以下几种连接方式：采用移动公司机房专线接入方式，此种方式带宽大（一般为2M），对延时、安全性都非常好，但租用此专线价格较贵。特别适合银行、POS机组网等需安全系数较高的用户，对子站非常多的情况下也推荐采用此种方式。采用GPRS无线接入方式，此种方式在数据中心接一台GPRS MODEM，通过数据中心的PC机拨号上网。优点是组网讯速，费用经济。缺点是带宽窄（GPRS上行10Kbps，下行40Kbps），延时大。这种方式在测试时用的比较多。如果准备在实际工程中使用需注意SIM卡需申请APN。
3. 数据中心网络的新变化
根据中国互联网络信息中心（CNNIC）近期发布的第39次《中国互联网络发展状况统计报告》，截至2016年12月，我国网民规模达7.31亿，全年共计新增网民4299万人。互联网普及率为53.2%，较2015年底提升2.9个百分点。中国网民规模已经相当于欧洲人口总量。大量网民的涌入必然带来网络流量的急剧膨胀。对于互联网企业，承载具体应用的数据中心的计算资源及网络节点常常满负荷运转；而对于传统企业，随着自身业务量的增加，以及各类业务互联网化的需求，对数据中心的整体的吞吐量也提出了新的要求（见图3）。
3.1服务器万兆网络接入渐成主流。
受成本、以及技术成熟度制约，传统数据中心以千兆接入为主。随着CPU计算能力的不斷提高，目前主流的服务器处理性能，已经超出了千兆网卡的输出能力。同时，FC存储网络与IP网络的融合，也要求IP网络的接入速率达到FC的性能要求。当仅仅通过链路聚合、增加等价路径等技术手段已经无法满足业务对网络性能的需求时，提高网络端口速率成为必然之选。
3.2数据中心流量模型发生显著变化。
传统的数据中心内，服务器主要用于对外提供业务访问，不同的业务通过安全分区及VLAN隔离。一个分区通常集中了该业务所需的计算、网络及存储资源，不同的分区之间或者禁止互访，或者经由核心交换通过三层网络交互，数据中心的网络流量大部分集中于南北向。 在这种设计下，不同分区间计算资源无法共享，资源利用率低下的问题越来越突出。通过虚拟化技术、云计算管理技术等，将各个分区间的资源进行池化，实现数据中心内资源的有效利用。而随着这些新技术的兴起和应用，新的业务需求如虚拟机迁移、数据同步、数据备份、协同计算等在数据中心内开始实现部署，数据中心内部东西向流量开始大幅度增加。
3.3物理二层向逻辑二层转变。
（1）在虚拟化初期，虚拟机管理及迁移主要依靠物理的网络，由于迁移本身要求二层网络，因此数据中心内部东西向流量主要是二层流量。为增加二层物理网络的规模，并提高链路利用率，出现了TRILL、SPB等大二层网络技术。
（2）随着虚拟化数据中心规模的扩大，以及云化管理的深入，物理网络的种种限制越来越不适应虚拟化的要求，由此提出了VXLAN、NVGRE等网络Overlay方案，在这一方案下，物理网络中的东西向流量类型也逐渐由二层向三层转变，通过增加封装，将网络拓扑由物理二层变为逻辑二层，同时提供逻辑二层的划分管理，更好的满足了多租户的需求。
3.4越来越多的网络扁平化需求。
（1）随着虚拟化技术的进步，每台物理服务器的虚拟机数量由8台提升至16台、32台甚至更多，这使得低延迟的服务器间通信和更高的双向带宽需求变得更加迫切。然而传统的网络核心、汇聚和接入的三层结构，服务器虚拟化后还有一个虚拟交换机层，而随着刀片服务器的广泛应用，刀片式交换机也给网络添加了一层交换。如此之多的网络层次，使得数据中心计算节点间通信延时大幅增加，这就需要网络化架构向扁平化方向发展，最终的目标是在任意两点之间尽量减少网络架构的数目。
（2）网络扁平化后，减少了中间层次，对核心设备交换能力要求降低，对于数据中心而言，后续扩容只需要以标准的机柜（包含服务器及柜顶交换单元）为单位增加即可，这样既满足了数据中心收敛比的要求，又能满足服务器快速上线需要。扁平化成为互联网企业网络设计不断追求的目标。
4. 未来弹性、自适应的数据中心网络
（1）我们同样看到，物理网络架构改变后一些问题仍然存在，仅仅依靠对传统技术的修修补补已经无法满足未来数据中心网络的需求。
（2）数据中心规模越来越大，给运维管理带来压力。现代（特别是大型互联网企业）的数据中心，规模越来越大（如腾讯、天津滨海数据中心，一期规模8万台服务器，规划规模达到20万台），所需要的网络设备数量相当惊人。除了各个层次大量的交换机外，可能还需要部署防火墙、防攻击设备、负载均衡、流量清洗等等网络安全设备，设备类型也会越来越丰富。同时，这些网络设备来自不同的厂家，拥有不一样的操作方式。这些对运维人员的能力提出了更高的要求。
（3）经过多年的发展，SDN为解决这些难题提供了可行的解决方案。它通过集中的控制器来实现对整网设备的监控和管理，利用软件的灵活、动态可扩展，提供丰富的管理控制策略，通过开放相关API，可以集成第三方APP，实现更多的个性化的网络控制。
5. 结束语
我们很快就会看到，新的数据中心采用云计算技术對所有虚拟计算资源集中管理，Fabric架构的网络无缝实现了数据中心各个区域的互联，基于Overlay的二层网络实现了虚拟机的流畅迁移，集中化的SDN网络控制器提供对数据中心整网的监控，各种流量根据数据中心当前网络状况实时切换经由路径，偌大的数据中心内，寥寥数人便完成了全部的运维管理。我们相信，这就是将来的数据中心的工作情景。
【关键词】数据中心；网络结构；无线DDN；SDN网络
Trends in Data Center Network Architecture
Zhao Hong
（Tianyuan Ruixin Communication Technology Co.， LtdXi'anShaanxi710075）
【Abstract】The data center is the center of data transmission， computing and storage， which focuses on various hardware and software resources and key business systems， which are faced with problems such as heterogeneous environment problems， business integration problems and management specifications， and bring data management to the data center. A great challenge， how to build a new generation of data center network to become the theme of the times.
【Key words】Data center；Network structure；Wireless DDN；SDN network
1. 前言
（1）“数据中心”是一整套复杂的设施，它不仅仅包括计算机系统和其它与之配套的设备（例如通信和存储系统），还包含冗余的数据通信连接、环境控制设备、监控设备以及各种安全装置。[1]谷歌在其发布的《The Datacenter as a Computer》一书中，将数据中心解释为“多功能的建筑物”，能容纳多个服务器 以及通信设备。这些设备被放置在一起是因为它们具有相同的对环境的要求以及物理安全上的需求，并且这样放置便于维护，而“并不仅仅是一些服务器的集合”[2]。
（2）采用internet接入时，只需要一台能上网的PC加数据中心软件即可。文中路由器指的是一般公司上网时是通过路由器上网的，此时须在路由器上做一些设置。也可直接把宽带接入线接至PC中来实现。不需要ISP开通服务。但在根据获取的外网IP地址及方式选择采用合适的动态域名软件（见图1）。
2. 组网结构
无线DDN系统分为监测点和数据中心两部分，监测点采用GPRS DTU，可提供RS-232、RS485、以及以太网接口，数据中采用宽带ADSL或专线方式接入Internet，具体接入方式如下：
2.1监测点接入方式：监测点通过RS-232、RS485或以太网接口与GPRS DTU传输模块连接，然后设置DTU相关参数，每一个GPRS DTU传输模块装入一个中国移动的数据SIM卡即可。
2.2数据中心接入方式：数据中心接入主要分两大类：
（1）采用Internet接入 数据中心采用宽带ADSL接入方式，此种方式优点是带宽大、费用经济。缺点是安全性较差、延时比专线接入稍大。采用局域网共享上网方式，此种方式基本同ADSL接入类似，但注意接入时需做端口映射。采用电话线拨号上网方式。此种方式接入带宽较窄。所以只适合于点数较少，且数据量小的组网方式。网络拓扑图如下（见图2）：
（2）移动公司接入数据中心采用无线网络运营商（指中国移动）提供信道接入，此种方式实际中有以下几种连接方式：采用移动公司机房专线接入方式，此种方式带宽大（一般为2M），对延时、安全性都非常好，但租用此专线价格较贵。特别适合银行、POS机组网等需安全系数较高的用户，对子站非常多的情况下也推荐采用此种方式。采用GPRS无线接入方式，此种方式在数据中心接一台GPRS MODEM，通过数据中心的PC机拨号上网。优点是组网讯速，费用经济。缺点是带宽窄（GPRS上行10Kbps，下行40Kbps），延时大。这种方式在测试时用的比较多。如果准备在实际工程中使用需注意SIM卡需申请APN。
3. 数据中心网络的新变化
根据中国互联网络信息中心（CNNIC）近期发布的第39次《中国互联网络发展状况统计报告》，截至2016年12月，我国网民规模达7.31亿，全年共计新增网民4299万人。互联网普及率为53.2%，较2015年底提升2.9个百分点。中国网民规模已经相当于欧洲人口总量。大量网民的涌入必然带来网络流量的急剧膨胀。对于互联网企业，承载具体应用的数据中心的计算资源及网络节点常常满负荷运转；而对于传统企业，随着自身业务量的增加，以及各类业务互联网化的需求，对数据中心的整体的吞吐量也提出了新的要求（见图3）。
3.1服务器万兆网络接入渐成主流。
受成本、以及技术成熟度制约，传统数据中心以千兆接入为主。随着CPU计算能力的不斷提高，目前主流的服务器处理性能，已经超出了千兆网卡的输出能力。同时，FC存储网络与IP网络的融合，也要求IP网络的接入速率达到FC的性能要求。当仅仅通过链路聚合、增加等价路径等技术手段已经无法满足业务对网络性能的需求时，提高网络端口速率成为必然之选。
3.2数据中心流量模型发生显著变化。
传统的数据中心内，服务器主要用于对外提供业务访问，不同的业务通过安全分区及VLAN隔离。一个分区通常集中了该业务所需的计算、网络及存储资源，不同的分区之间或者禁止互访，或者经由核心交换通过三层网络交互，数据中心的网络流量大部分集中于南北向。 在这种设计下，不同分区间计算资源无法共享，资源利用率低下的问题越来越突出。通过虚拟化技术、云计算管理技术等，将各个分区间的资源进行池化，实现数据中心内资源的有效利用。而随着这些新技术的兴起和应用，新的业务需求如虚拟机迁移、数据同步、数据备份、协同计算等在数据中心内开始实现部署，数据中心内部东西向流量开始大幅度增加。
3.3物理二层向逻辑二层转变。
（1）在虚拟化初期，虚拟机管理及迁移主要依靠物理的网络，由于迁移本身要求二层网络，因此数据中心内部东西向流量主要是二层流量。为增加二层物理网络的规模，并提高链路利用率，出现了TRILL、SPB等大二层网络技术。
（2）随着虚拟化数据中心规模的扩大，以及云化管理的深入，物理网络的种种限制越来越不适应虚拟化的要求，由此提出了VXLAN、NVGRE等网络Overlay方案，在这一方案下，物理网络中的东西向流量类型也逐渐由二层向三层转变，通过增加封装，将网络拓扑由物理二层变为逻辑二层，同时提供逻辑二层的划分管理，更好的满足了多租户的需求。
3.4越来越多的网络扁平化需求。
（1）随着虚拟化技术的进步，每台物理服务器的虚拟机数量由8台提升至16台、32台甚至更多，这使得低延迟的服务器间通信和更高的双向带宽需求变得更加迫切。然而传统的网络核心、汇聚和接入的三层结构，服务器虚拟化后还有一个虚拟交换机层，而随着刀片服务器的广泛应用，刀片式交换机也给网络添加了一层交换。如此之多的网络层次，使得数据中心计算节点间通信延时大幅增加，这就需要网络化架构向扁平化方向发展，最终的目标是在任意两点之间尽量减少网络架构的数目。
（2）网络扁平化后，减少了中间层次，对核心设备交换能力要求降低，对于数据中心而言，后续扩容只需要以标准的机柜（包含服务器及柜顶交换单元）为单位增加即可，这样既满足了数据中心收敛比的要求，又能满足服务器快速上线需要。扁平化成为互联网企业网络设计不断追求的目标。
4. 未来弹性、自适应的数据中心网络
（1）我们同样看到，物理网络架构改变后一些问题仍然存在，仅仅依靠对传统技术的修修补补已经无法满足未来数据中心网络的需求。
（2）数据中心规模越来越大，给运维管理带来压力。现代（特别是大型互联网企业）的数据中心，规模越来越大（如腾讯、天津滨海数据中心，一期规模8万台服务器，规划规模达到20万台），所需要的网络设备数量相当惊人。除了各个层次大量的交换机外，可能还需要部署防火墙、防攻击设备、负载均衡、流量清洗等等网络安全设备，设备类型也会越来越丰富。同时，这些网络设备来自不同的厂家，拥有不一样的操作方式。这些对运维人员的能力提出了更高的要求。
（3）经过多年的发展，SDN为解决这些难题提供了可行的解决方案。它通过集中的控制器来实现对整网设备的监控和管理，利用软件的灵活、动态可扩展，提供丰富的管理控制策略，通过开放相关API，可以集成第三方APP，实现更多的个性化的网络控制。
5. 结束语
我们很快就会看到，新的数据中心采用云计算技术對所有虚拟计算资源集中管理，Fabric架构的网络无缝实现了数据中心各个区域的互联，基于Overlay的二层网络实现了虚拟机的流畅迁移，集中化的SDN网络控制器提供对数据中心整网的监控，各种流量根据数据中心当前网络状况实时切换经由路径，偌大的数据中心内，寥寥数人便完成了全部的运维管理。我们相信，这就是将来的数据中心的工作情景。