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本文所講的數據中心網絡架構和技術范圍是針對典型的大型互聯網和云計算公司的超大規(guī)模數據中心(Hyperscale Data Center)，不一定適合其他類型的數據中心網絡。業(yè)界對于什么規(guī)模才算是“超大規(guī)模(Hyperscale”并沒有一個精確的定義。一般來說，一個數據中心網絡集群至少有 5000臺服務器才能夠算得上是超大規(guī)模。當然，大型互聯網公司的數據中心規(guī)模往往要比這個大得多，5萬~10萬臺之間的單集群規(guī)模比較常見，如果按照一個城市區(qū)域計算，則一般有幾十萬臺服務器的規(guī)模。

過去十年，互聯網和云計算迅猛的發(fā)展，催生了超大規(guī)模數據中心，而傳統(tǒng)網絡技術已經無法滿足超大規(guī)模數據中心的要求，又驅動了網絡技術的演進和變革。相比傳統(tǒng)數據中心網絡，現代超大規(guī)模數據中心網絡在技術和架構上有很大的不同，主要表現在:網絡架構的演變、網絡設備的解耦和白盒化、網絡功能虛擬化，以及網絡運維的自動化和智能化。

網絡架構的演變

首先，傳統(tǒng)企業(yè)數據中心因歷史原因運行的一些經典應用需要網絡的組播和廣播功能，以及網絡的二層橋接技術。為了滿足這些網絡功能，網絡架構相對比較復雜，有過多冗余設計，很難擴展，一般都采用“1+1”冗余設計，網絡的規(guī)模靠增加交換機設備來擴大。為了支持二層橋接功能，同時又要控制二層廣播域，防止廣播風暴，傳統(tǒng)的企業(yè)數據中心網絡一般采用分層模塊化設計，有一定的二層橋接區(qū)域和清晰的二三層分界。這種二三層混合設計采用了很多廠商設備自帶的高級功能，增加了復雜度，并影響了網絡在各種故障場景下的收斂。

現代互聯網數據中心沒有這些傳統(tǒng)應用的負擔，網絡可以只集中在Unicast和三層路由，從而大幅簡化網絡的功能和協(xié)議，因此現代互聯網數據中心一般都采用全三層設計、路由網絡協(xié)議，沒有二層橋接、組播和廣播的功能。同時，現代互聯網數據中心規(guī)模都比較大，需要資源的彈性擴展和靈活擴展，這些催生了物理網絡架構從分層模塊化設計轉向了橫向可大規(guī)模擴展的 CLOS 架構設計。CLOS 架構目前已經成為超大規(guī)模數據中心網絡的事實標準。

網絡設備解耦和白盒化

軟件定義網絡(Software Defined Network，SDN)的提出就像是一聲春雷打開了網絡發(fā)展的新篇章。SDN 的核心思想之一是把傳統(tǒng)網絡設備的管理平面、控制平面和數據平面進行分離，采用軟件的方法集中控制和管理，讓網絡變得更加智能，同時簡化數據平面，讓網絡變得更簡單。設備解耦把數據平面、控制平面和管理平面集成在一起的單個廠商封閉系統(tǒng)變成了一個開放的系統(tǒng)，讓網絡更加開放。雖然最初的OpenFlow 并沒有在現代數據中心中廣泛部署應用，但在過去的七年左右的時間里，各種開源社區(qū)和組織在SDN 概念的指導下，逐步發(fā)展壯大，打破了廠商封閉系統(tǒng)，走向了開放的設備解耦之路。SDN 發(fā)展至今，最具代表性的成果是商業(yè)化交換機芯片逐漸占據數據中心網絡市場的主導地位，各種白盒交換機設備逐漸得到大規(guī)模部署，開源組織和開源軟件也如雨后春筍般出現。

延續(xù)網絡設備解耦和白盒化思想，行業(yè)人士開始進一步思考怎樣才是最簡單、最優(yōu)性價比的交換機設備形態(tài)?對于構建超大規(guī)模數據中心，大型框式交換機是否必需?以什么方式來構建大容量的交換機最合適?業(yè)界已經有不少這方面的嘗試，典型代表當屬臉書公司公開的 Backpack Switch(可以參見OCP的相關文章)，這種框式交換機突破傳統(tǒng)背板互聯方式，直接把基于單芯片的盒式交換機通過線纜互連在一起形成一個邏輯上的大型框式交換機，其優(yōu)點是簡單、研發(fā)投入可控、易于自動化運營。隨著交換機芯片容量的大幅上升，越來越多的人認識到基于單芯片盒式交換機帶來的簡單、成本優(yōu)化、網絡延時優(yōu)化等巨大好處，并開始嘗試用單芯片盒式交換機來組建超大規(guī)模的數據中心網絡。

網絡功能虛擬化

網絡功能虛擬化(NFV)是加速網絡行業(yè)變革的另一個源泉。網絡功能虛擬化是通過使用x86等通用硬件及虛擬化技術，來替代原專業(yè)設備的軟件處理，從而降低網絡設備成本。它可以通過軟硬件解耦及功能抽象，使網絡設備功能不再依賴于專用硬件，資源可以充分靈活共享，實現新業(yè)務的快速開發(fā)和部署，并基于實際業(yè)務需求進行自動部署、彈性伸縮、故障隔離和自愈等。

隨著通用x86處理器性能的大幅提升，NFV愈發(fā)流行。在云計算數據中心網絡中，NFV已經變成網絡虛擬化的基石，基于x86服務器的虛擬交換機和虛擬路由的網關功能有效地構建了數據中心虛擬網絡層，虛擬網絡和物理網絡的解耦極大地簡化云計算網絡設計，促進資源的彈性部署。

同時，隨著物理網絡帶寬的進一步增長，通用計算 CPU已經很難滿足網絡帶寬增長的需要，網絡轉發(fā)功能需要轉向硬件卸載。近年來，業(yè)界在這方面已經有很多的嘗試和探索，包括智能化網卡及可編程交換機芯片等技術。

網絡運維的自動化和智能化

在過去很長的時間里，網絡設備的管理和運維都以人工手動為主，需要靠人力通過ping、traceroute 等基本工具配置網絡，或者登錄網絡設備中檢查各種表項是否正常。這種人工運維方式催生了網絡工程師這個職業(yè)的高價值和快速發(fā)展，最有代表性的當屬IT業(yè)界最為成功的技術認證CCIE(Cisco Certifed Internet Expert)。但是，隨著網絡功能越來越復雜，網絡規(guī)模越來越大，手工運維已經難以為繼。舉個簡單的例子，一個大型云計算或者互聯網公司有幾十甚至上百個大型數據中心，而每個大型數據中心就有上千臺的交換機，人工運維是不現實的。

現代超大規(guī)模數據中心網絡和傳統(tǒng)網絡的一個根本不同點就是運維的自動化和智能化。架構的設計、設備和芯片的選擇、網絡功能的選擇等都要充分考慮自動化和智能化運維的需要，一個無法自動化運維的架構設計是無法大規(guī)模部署的。自動化運維包括很多方面，從最開始的自動化架構驗證到自動化的規(guī)模部署，再到自動化的新功能發(fā)布、軟件版本升級，以及故障的自動化發(fā)現、隔離和恢復等。

過去 10 年，在超大規(guī)模數據中心自動化運維需求的驅動下，涌現出了很多的網絡管理工具、開源管理軟件、結構化設備管理方法、標準 API，以及各種網絡可視化的功能等。網絡的自動化運維取得了長足的發(fā)展，但是從另一個角度看，能夠真正做到網絡自動化運維的企業(yè)還很少。這里面的原因很多，既包括企業(yè)自身原因，還有設備廠商的原因等。設備廠商由于自身利益等原因，很難在網絡運維管理方面達到一致化的功能和接口，而自動化管理來自多家廠商設備的數據中心是一個很大的挑戰(zhàn)。大型互聯網公司在這方面一般做得比較好:一個原因是硬性超大規(guī)模的需求驅動，另一個原因是強大的研發(fā)力量，能夠通過對網絡設備的自研，把設備和網絡運維體系高效結合，從而能夠真正做到自動化運維。

本文內容來源：阿里巴巴技術叢書《企業(yè)數字化基石》

超大規(guī)模數據中心網絡架構及其技術演變