数据中心网络的体系结构分析

　　摘要：随着信息化技术的不断发展，云计算以及虚拟化技术的运用越来越广泛，在这些新兴运用模式下，数据中心网络也发生了重大的变化，无论是在组成、结构还是在功能规模层面都不断发生着变革，传统层次结构的数据中心网络已经明显不能适应新的运用模块，在规模、成本以及拓展性等方面都存在着很多不足，变革之后的数据中心网络应该低成本的基础上满足节能、低配置开销、高拓展性等新的要求。

　　关键词：数据中心 体系结构 网络

　　数据中心是数据传输、计算以及存储的中心，是各种软件资源与硬件资源以及关键业务系统的集中，例如人们熟悉的网络游戏、在线购物以及搜索引擎等大规模的集群计算等，而传统的数据中心网络一般采用的是树形网络，总宽带受到了限制，根节点更是成为了系统在性能上的最大障碍，并且其规模比较小，资源也不够集中，导致其已经不适应新兴运用模式的需求。

　　一、传统数据中心网络体系结构及存在不足

　　传统的数据中心网络是通过层次网络上来实现的，在同一个数据中心内存在着很多种运用的同时运行，并且每一种运用都需要在特定的服务器或者虚拟服务器上运行，同时需要和因特网可路由的IP地址绑定，这样可以方便接收因特网的客户端访问。随着云计算以及虚拟化技术的运用越来越广泛，新型计算机的数据中心呈现出许多新的特点，这些新的特点也正体现了传统数据中心网络体系结构的不足。

　　首先就是规模越来越大，需要支持的服务数量级已经达到了比较高的量级，并且数据中心的内部流量也在不断的增加，占总流量的比重也比较大，所以导致网络宽带变成了一种比较缺少的资源。由于数据规模的不断增大，网络设备的要求也越来越高，但通常都是一个横向扩展，并未来节约成本，并没有使用性能比较高同时价格也比较高的先进设备来进行一个纵向的拓展。新型数据中心网络的结构没有受到传统结构的限制，结构比较多样，例如多根树、立方体和随机图等，这些网络结构都哦可以辅助设计出更加高效的路由算法。随着信息技术的不断发展，虚拟化技术已经成为了数据中心不可缺少的理念，所以这就要求数据中心可以支持任何一个迁移的部署，并且还不能影响已经存在的运用层的状态。随着环保理念的不断深入，数据中心网络可以采用低成本的低端设备，容易导致很多事故的发生。此外，传统的数据中心的自动化程度不高，如果服务需要在服务器之间进行重新分配的话，数据中心网络的地址的空间就会导致人工操作出错的概率增高，只有提高自动化程度，才可以控制操作人员和服务器成本的比值，降低人工操作的失误概率，避免由此导致的风险，使得整个网络系统可以更加健康稳定运行。

　　二、数据中心网络体系结构设计的依据

　　由于新型计算模式的不断普及，新兴应用模块使用越来越广泛，对新型的数据中心网络提出了新的要求。首先就是服务器和虚拟机的便捷配置和迁移，所以在数据中心的任何地方的任何服务器都可以是一种VIP服务器池的一部分，这样服务器池就不再是固定的，而是可以自由动态缩减或者扩展，虚拟机也可以随意的迁移，并且在这个过程中不需要改变虚拟机的IP地址，已经存在的应用层状态也不会被打断。由于服务器间的高传输宽带，服务器间的流量比较大，所以新型的中心网络体系结构应该对服务器提供更大的宽带。数据中心网络需要支持数量非常巨大的服务器，数据库中心需要更多的服务器，所以在数据库中心可以设置允许增量的部署或者扩展。另外，还要求数据中心网络低成本且高扩展，这是因为数据中心网络的物理结构可扩展需要比较小的'成本物理连接器，不需要依赖比较高端的交换机老纵向扩展，采用普通的商业化的组间就可以实现横向扩展，而且，通过增加服务器的数量从结构上来实现增量的扩展，即使添加新的服务器，已经正在运行的服务器也是不会受到影响的。数据中心网络还应该具备健壮性，也就是针对各种各样的失效，例如机架失效、服务器失效等都能够进行有效的处理。低配置的开销是指在中心网络的构建过程中不应该采用太多的人工配置开销。另外，由于能源紧缺问题越来越受到人们的重视，在新的数据网络结构构建中还应该将能源的效率问题考虑进来，提高能源的使用效率，降低制冷开销以及流量的传输。

　　三、现代数据中心网络的结构特征

　　3.1 基于商业交换机构建

　　传统的数据中心网络一般采用的是树形网络，总宽带受到了限制，根节点更是成为了系统在性能上的最大障碍，如果采用三层树形结构来设计的话，所有的层都使用普通的48端口交换机，那么核心层可以使用的宽带就只有所有的服务器出口总宽带的千分之四，这个比例是非常小的。如果交换器的端口数量不断增加，网络层数也不断增加，那么在核心层可用的宽带所占的比例还会进一步减少。为了提高整个系统的性能，需要采用更加高端的交换设备来进行构建但是树形结构的问题却还是存在的，使用更加高端的设备就会带来非常大的成本开销，和普通交换机相比，成本提高了非常多。所以，为了降低成本，现代数据中心一般会采用普通的商业交换机，例如微软数据中心和Google数据中心，这也是现代数据中心结构设计的出发点，可以使数据中心网络符合现代数据中心需要具备的特征。

　　3.2 节点之间多路径连接

　　采用商业交换机是一种可行的设计，但是单条路径的传输能力却受到了非常大的限制，所以就需要在服务节点之间增加多条路径，这样才能满足服务器间数据传输的高速要求。例如Portland等就是采用Clos构架的一种特殊形式作为物理网络的一种有效连接方式，向服务器间提供多条路径的访问。Clos架构是在贝尔实验室中设计的一种多级交换结构，最开始的时候是运用在电话网络中，Clos架构支持多级交换，可以通过每一个交换单元都能够连接到下一级的所有交换单元上，并且在不同的交换单元中也可以建立多条交换路径。

　　3.3 从机架式向集装箱式转变

　　在传统的数据中心机架的构建中，需要很复杂的手工联线，会占用大量的基础设施，开发部署的周期也比较长。集装箱式数据中心是将服务器、空调系统以及网络封装在一个集装箱内，一个数据中心就可以包含上千台的服务器，开发周期较短，体积比较小，不需要占用大量的空间，并且能源消耗的密度也比较高，移动部署非常方便，正是因为其拥有这么多的优点，很多大型的IT公司都推出了自己的集装箱式数据中心，国内IT公司也加紧抢占集装箱式数据中心市场，学术界也对集装箱式数据中心提出了更高的重视。

　　四、结语

　　数据中心网络是一种正在发展中的技术，结构特征也多种多样，随着人们需求的不断改变和信息技术的不断发展，现代数据中心网络运营模式慢慢向着公共云服务转变，更多的新型数据中心网络会不断被提出，在未来的技术研究中，数据网络中心将会向着更加科学自动的方向发展，在设计中更多的运用节能机制，实现我国的可持续发展。

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