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數據中心網絡的體系結構分析
摘要：隨著信息化技術的不斷發展，云計算以及虛擬化技術的運用越來越廣泛，在這些新興運用模式下，數據中心網絡也發生了重大的變化，無論是在組成、結構還是在功能規模層面都不斷發生著變革，傳統層次結構的數據中心網絡已經明顯不能適應新的運用模塊，在規模、成本以及拓展性等方面都存在著很多不足，變革之后的數據中心網絡應該低成本的基礎上滿足節能、低配置開銷、高拓展性等新的要求。
關鍵詞：數據中心 體系結構 網絡
數據中心是數據傳輸、計算以及存儲的中心，是各種軟件資源與硬件資源以及關鍵業務系統的集中，例如人們熟悉的網絡游戲、在線購物以及搜索引擎等大規模的集群計算等，而傳統的數據中心網絡一般采用的是樹形網絡，總寬帶受到了限制，根節點更是成為了系統在性能上的最大障礙，并且其規模比較小，資源也不夠集中，導致其已經不適應新興運用模式的需求。
一、傳統數據中心網絡體系結構及存在不足
傳統的數據中心網絡是通過層次網絡上來實現的，在同一個數據中心內存在著很多種運用的同時運行，并且每一種運用都需要在特定的服務器或者虛擬服務器上運行，同時需要和因特網可路由的IP地址綁定，這樣可以方便接收因特網的客戶端訪問。隨著云計算以及虛擬化技術的運用越來越廣泛，新型計算機的數據中心呈現出許多新的特點，這些新的特點也正體現了傳統數據中心網絡體系結構的不足。
首先就是規模越來越大，需要支持的服務數量級已經達到了比較高的量級，并且數據中心的內部流量也在不斷的增加，占總流量的比重也比較大，所以導致網絡寬帶變成了一種比較缺少的資源。由于數據規模的不斷增大，網絡設備的要求也越來越高，但通常都是一個橫向擴展，并未來節約成本，并沒有使用性能比較高同時價格也比較高的先進設備來進行一個縱向的拓展。新型數據中心網絡的結構沒有受到傳統結構的限制，結構比較多樣，例如多根樹、立方體和隨機圖等，這些網絡結構都哦可以輔助設計出更加高效的路由算法。隨著信息技術的不斷發展，虛擬化技術已經成為了數據中心不可缺少的理念，所以這就要求數據中心可以支持任何一個遷移的部署，并且還不能影響已經存在的運用層的狀態。隨著環保理念的不斷深入，數據中心網絡可以采用低成本的低端設備，容易導致很多事故的發生。此外，傳統的數據中心的自動化程度不高，如果服務需要在服務器之間進行重新分配的話，數據中心網絡的地址的空間就會導致人工操作出錯的概率增高，只有提高自動化程度，才可以控制操作人員和服務器成本的比值，降低人工操作的失誤概率，避免由此導致的風險，使得整個網絡系統可以更加健康穩定運行。
二、數據中心網絡體系結構設計的依據
由于新型計算模式的不斷普及，新興應用模塊使用越來越廣泛，對新型的數據中心網絡提出了新的要求。首先就是服務器和虛擬機的便捷配置和遷移，所以在數據中心的任何地方的任何服務器都可以是一種VIP服務器池的一部分，這樣服務器池就不再是固定的，而是可以自由動態縮減或者擴展，虛擬機也可以隨意的遷移，并且在這個過程中不需要改變虛擬機的IP地址，已經存在的應用層狀態也不會被打斷。由于服務器間的高傳輸寬帶，服務器間的流量比較大，所以新型的中心網絡體系結構應該對服務器提供更大的寬帶。數據中心網絡需要支持數量非常巨大的服務器，數據庫中心需要更多的服務器，所以在數據庫中心可以設置允許增量的部署或者擴展。另外，還要求數據中心網絡低成本且高擴展，這是因為數據中心網絡的物理結構可擴展需要比較小的成本物理連接器，不需要依賴比較高端的交換機老縱向擴展，采用普通的商業化的組間就可以實現橫向擴展，而且，通過增加服務器的數量從結構上來實現增量的擴展，即使添加新的服務器，已經正在運行的服務器也是不會受到影響的。數據中心網絡還應該具備健壯性，也就是針對各種各樣的失效，例如機架失效、服務器失效等都能夠進行有效的處理。低配置的開銷是指在中心網絡的構建過程中不應該采用太多的人工配置開銷。另外，由于能源緊缺問題越來越受到人們的重視，在新的數據網絡結構構建中還應該將能源的效率問題考慮進來，提高能源的使用效率，降低制冷開銷以及流量的傳輸。
三、現代數據中心網絡的結構特征
3.1 基于商業交換機構建
傳統的數據中心網絡一般采用的是樹形網絡，總寬帶受到了限制，根節點更是成為了系統在性能上的最大障礙，如果采用三層樹形結構來設計的話，所有的層都使用普通的48端口交換機，那么核心層可以使用的寬帶就只有所有的服務器出口總寬帶的千分之四，這個比例是非常小的。如果交換器的端口數量不斷增加，網絡層數也不斷增加，那么在核心層可用的寬帶所占的比例還會進一步減少。為了提高整個系統的性能，需要采用更加高端的交換設備來進行構建但是樹形結構的問題卻還是存在的，使用更加高端的設備就會帶來非常大的成本開銷，和普通交換機相比，成本提高了非常多。所以，為了降低成本，現代數據中心一般會采用普通的商業交換機，例如微軟數據中心和Google數據中心，這也是現代數據中心結構設計的出發點，可以使數據中心網絡符合現代數據中心需要具備的特征。
3.2 節點之間多路徑連接
采用商業交換機是一種可行的設計，但是單條路徑的傳輸能力卻受到了非常大的限制，所以就需要在服務節點之間增加多條路徑，這樣才能滿足服務器間數據傳輸的高速要求。例如Portland等就是采用Clos構架的一種特殊形式作為物理網絡的一種有效連接方式，向服務器間提供多條路徑的訪問。Clos架構是在貝爾實驗室中設計的一種多級交換結構，最開始的時候是運用在電話網絡中，Clos架構支持多級交換，可以通過每一個交換單元都能夠連接到下一級的所有交換單元上，并且在不同的交換單元中也可以建立多條交換路徑。
3.3 從機架式向集裝箱式轉變
在傳統的數據中心機架的構建中，需要很復雜的手工聯線，會占用大量的基礎設施，開發部署的周期也比較長。集裝箱式數據中心是將服務器、空調系統以及網絡封裝在一個集裝箱內，一個數據中心就可以包含上千臺的服務器，開發周期較短，體積比較小，不需要占用大量的空間，并且能源消耗的密度也比較高，移動部署非常方便，正是因為其擁有這么多的優點，很多大型的IT公司都推出了自己的集裝箱式數據中心，國內IT公司也加緊搶占集裝箱式數據中心市場，學術界也對集裝箱式數據中心提出了更高的重視。
四、結語
數據中心網絡是一種正在發展中的技術，結構特征也多種多樣，隨著人們需求的不斷改變和信息技術的不斷發展，現代數據中心網絡運營模式慢慢向著公共云服務轉變，更多的新型數據中心網絡會不斷被提出，在未來的技術研究中，數據網絡中心將會向著更加科學自動的方向發展，在設計中更多的運用節能機制，實現我國的可持續發展。
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