云网络下的交换技术

2010-08-08邹莹本刊编辑余健仪

电脑与电信 2010年1期

特约通讯员邹莹本刊编辑余健仪

二十世纪末的网络主要是为了实现静态应用和电子邮件应用而设计的，往往只是针对某一特殊的应用需求。而目前随着承载业务的变化和交换技术的发展，网络应用呈现出动态的、可预测的新特点，如云网络。云网络根据各种应用对资源的实时需要，动态地供应资源，以满足多种应用需求。显然，云网络的出现远远超越了传统网络的设计理念和服务范畴，传统网络固有的高传输延迟成为了网络发展的最大障碍，云计算网络交换将迎来黄金时代。

基于云网络的交换新特性

纵观数据中心的发展，它正呈现出从物理领域迁移到虚拟领域并且最终过渡到云网络的发展趋势。在传统的数据中心中，客户服务器是基于传统万维网、邮件传输或文件传输的要求设计的；新的数据中心云网络与之不同，它必须具有更高的性能。

当今的应用要求更有针对性，对网络性能的要求更“苛刻”，如大容量存储设备或者虚拟机映像的大量数据传输，或是web2.0大规模数据分析，这些应用既要求低延迟无阻塞，又要求高速传输数据。要迎合这些新的应用，对于数据中心云网络来说，具有能使可扩展性、可预测性、低延迟、无阻塞传输、以太网与高速以太网快速互连等多种性能达到一种平衡的能力，显得至关重要。

而相应地，这就要求新一代数据中心级交换架构的一个设计关键就是实现物理机和虚拟机的应用性能的匹配和统一，让所有的交换节点具有相同的无阻塞带宽和可预测的延迟。

数据中心交换架构的组成

目前数据中心常用的交换方式主要有两种：一种是直通交换，即当输入端口检测到一个数据包时，检查该包的包头并获取包的目的地址，然后启动内部的动态查找表转换成相应的输出端口，接通输入与输出交叉处，把数据包直通到相应的端口，从而实现交换功能。由于它只检查数据包的包头(通常只检查14个字节)，不需要存储，所以切入方式具有延迟小、交换速度快的优点，适用于高性能计算集群(HPC)应用；另一种是具有深度缓存结构和虚拟输出队列机制(VOQ)的存储转发交换，它为数据中心应用提供了必要的缓冲(如图1)，在转发数据前先对数据进行接收和存储以进行校验。

Arista发布的业界领先的数据中心级系列交换机——Arista 7100系列和Arista 7048交换机就分别采用了这两种交换方式以应对不同的性能要求。其中，Arista 7100系列设备采用了直通交换，是具有高性能、极低延时的以太网数据中心交换机，专为低延迟、两层的高性能计算(HPC)网络而设计。而对于使用不对称的1&10Gb以太网连接来支持存储的下一代高负载数据中心来说，采用存储转发方式的Arista7048系列则是最佳选择。

图1(1) 低延迟，高性能网络(HCP)应用

图1(2)大规模，不对称数据中心设计

Arista 7100——满足高性能计算发展

过去一年，高性能计算领域的发展速度突飞猛进，也为高性能计算系统提出了新的要求。其中，极低延迟是实现高性能集群的必要因素。目前，在金融服务项目上最常听到的一个词语就是高频交易(HFT)，它是一种要求高性能计算的新应用，它运用计算速度极快的超强计算机建立高通量的光线网络，直通股票交易市场，利用监管漏洞和其它交易者相对较慢的反应速度来获取利润。根据实时市场数据来进行高频交易的应用都要求采用直通交换和共享存储器交换技术，以保证超低延迟。这种场合的延迟是用几微秒甚或是几百纳秒来度量的。对于高性能计算、高频率交易等具有稳定及对称的数据传输模式应用中，直通交换对终端用户来说是非常理想的交换方式。尤其是在网速只占用了不到一半、网络传输并不拥堵的情况下，此时对低延迟的要求尤为关键。直通交换可以使延迟减少好几微秒，特别是在传输大型和超大帧数据包时更能节约时间。Arista作为一家发展势头迅猛的新兴高性能计算公司，其发布的7100系列高性能万兆以太网交换机非常适合于要求超低延迟的系统，它采用了直通交换方式，数据包接收后可直接被转发，无需缓存在存储器中。它能在最小队列和串行延迟时提供快速多点传送，使得传输速度加快，其传输速率高达960Gbps每秒，延迟低至600纳秒(如图2)。7100系列交换机可将现有的基于千兆以太网的服务器，以无缝迁移路径方式迁移至基于万兆以太网的高性能服务器上，同还可实现虚拟化环境过渡，有力推动了千兆到万兆以太网的过渡。

Arista 7048——应对下一代高密度数据中心部署

对于如骨干网络应用、存储区无缝接入、数据中心等高负载、高运算度的网络，特别是针对大聚簇数据处理，分布式搜索和数据库查询系统等要求大量数据的应用，负载平衡和流量管理是任何云数据中心的关键服务。

图2 高性能计算机集群中的低延迟直通交换

图3需要大容量缓冲区和VOQ存储转发交换机来进行不对称传输的大规模数据中心

在一个设计优良的存储转发系统中，每个端口要求好几兆的传输速度，交换机必须提供更多的缓冲区来保证足够快的传输速度。当今的存储转发交换机利用虚拟输出队列(VOQ)来更好地协调“任意点到任意点(any to any)”的通信传输。虚拟输出队列避免了交换路线阻塞和经常困扰老式交换机的“队头阻塞”问题。将虚拟输出队列技术与可扩展的缓冲寄存区结合起来，将使得整个网络性能更加灵活。

当网络传输遇上网络高峰或者服务器同时登陆导致网络负荷过重时，大容量缓存区能有效缓解网络拥堵，因此交换机就必须有足够的缓存区来及时地存储这些数据并保证没有数据丢失。采用具有大容量缓冲区和VOQ存储转发方式的Arista 7048交换机能够很好地解决这一问题。Arista 7048是一款线速多层交换机，具有48个RJ-45千兆以太网接口和4个1/10Gb以太网上行链路，为骨干网提供了高达40G的互联容量。而且Arista 7048是首款集成Citrix NetScaler系统的交换机，提供负载均衡和应用安全功能。其每个端口都有极大的缓冲能力，并具有特制的拥塞管理架构来应对高流量负荷。

随着数据中心从1 Gbps向10 Gbps的迁移，实现以太网和高速以太网的不对称连接需求十分急迫。对于像10G到1G网络系统的不对称传输来说，深度缓冲区非常重要，它用于支持不同速度端口间的转换，保持高速端口和低速端口间协同工作。因此，Arista 7048交换机能够实现不对称速率以太网之间的连接(如图3)。

云网络案例

以著名的Facebook社交网站为例，当你登录到Facebook时，你会获得大量动态的数据，或者当你发送一个请求到Facebook网站时，你会获得一个响应。但是，为了获得这个响应，内部的服务器必须进行大量的计算和数据库查询的动作，如最近哪些朋友加入了网络，哪些朋友更新了他们的资料。所有这些数据都必须真实快速地实时回复。因此，数据中心需要高性能的连接。

对于这种应用需求，在典型的网络设计方案中，一般会设置访问层、分布层和核心层。如果数据流量要从一个服务器到达另一个服务器，那么就是从访问层到分布层再到核心层，然后返回分布层，最后重回到访问层。而Arista的解决方案则是基于“云”设计的思想模式，它使用了云干(CS)—云叶(CL)构筑的流量二层设计(如图4)。CS负责沿第2层或第3层节点间的优化路径转发流量，CL则控制服务器间的流量。这样，大多数流量都在这两层上。此处有一个核心设备，但是它主要是用于传输流出数据中心外的流量。这一方案可以结合Arista7100系列和Arista7048交换机来搭建，CS采用Arista7100系列交换机，CL采用Arista7048交换机，这样可以同时发挥两者的优势，提供一个具备无阻塞、低延迟、高密度的万兆级交换云网络。

资料显示目前Facebook已经组建了一个由30000个服务器组成的基于Arista交换方案的云网络，该网络系统能够将数据检索时间降低。传统的数据库检索方案需要五微秒的应答时间，而Facebook能将应答时间减少至半微秒，减少了转发中继产生的延迟，增加了连接稳定性。

大多数网络在最初设计时，只用于适应老一代交换机和路由器有限的吞吐量、端口密度以及客户服务器应用模式。今后的网络不再需要围绕这些缺陷改进设计。目前大部分数据中心以优化延迟性、可预测性、通信模式作为设计核心要素。借助新交换结构，可以实现动态、实时的应用接入，满足当今网络动态性的需求。而Arista交换产品的“闪亮登场”在新一代数据中心领域的引发了强大的明星效应，它优化了云网络解决方案，博得了业界的热烈掌声。