云的基本特征是動態(tài)、彈性、靈活，按需計算，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡架構與技術雖然也能構筑云計算的基礎平臺，但是因此而形成的傳統(tǒng)運行架構卻無法支撐如此動態(tài)化的IT業(yè)務要求。它必然要求一種新的IT運行模式，將大量的計算資源以動態(tài)、按需的服務方式供應和部署。

一、 云計算的基礎架構挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)業(yè)務結(jié)構下，由于多種技術之間的孤立性(LAN與SAN)，使得數(shù)據(jù)中心服務器總是提供多個對外IO接口：用于數(shù)據(jù)計算與交互的LAN接口以及數(shù)據(jù)訪問的存儲接口，某些特殊環(huán)境如特定HPC(高性能計算)環(huán)境下的超低時延接口。服務器的多個IO接口導致了數(shù)據(jù)中心環(huán)境下多個獨立運行的網(wǎng)絡同時存在，不僅使得數(shù)據(jù)中心布線復雜，不同的網(wǎng)絡、接口形體造成的異構還直接增加了額外人員的運行維護、培訓管理等高昂成本投入，特別是存儲網(wǎng)絡的低兼容性特點，使得數(shù)據(jù)中心的業(yè)務擴展往往存在約束。

由于傳統(tǒng)應用對IT資源的獨占性(如單個應用獨占服務器)，使得數(shù)據(jù)中心的業(yè)務密度低，造成有限的物理空間難以滿足業(yè)務快速發(fā)展要求，而已有的系統(tǒng)則資源利用效率低下。而且，傳統(tǒng)業(yè)務模式下，由于規(guī)模小，業(yè)務遵循按需規(guī)劃，企業(yè)應用部署過程復雜、周期漫長，難以滿足靈活的IT運行要求。在云計算這種變革性運營與服務模式下，必須能夠解決成本、彈性、按需增長的業(yè)務要求，并改進與優(yōu)化IT運行架構。因此：

云計算服務必然要求一種大規(guī)模的IT運行方式，在極大程度上降低云計算基礎設施的單位建設成本，大幅降低運行維護的單位投入成本。通過網(wǎng)絡與IO的整合來消除數(shù)據(jù)中心的異構網(wǎng)絡與接口環(huán)境，云計算中心需要優(yōu)化、簡化的布線與網(wǎng)絡環(huán)境。

由于其業(yè)務集中度、服務的客戶數(shù)量遠超過傳統(tǒng)的企業(yè)數(shù)據(jù)中心，導致了高帶寬的業(yè)務流，如圖1所示的亞馬遜對外公布其2008年提供云計算服務后，云服務的帶寬增長速度遠高于其WEB服務的帶寬增長。
 

圖1 亞馬遜的云計算服務高速帶寬增長需求

總的來說，為滿足云計算的業(yè)務要求，統(tǒng)一的基礎網(wǎng)絡要素必然包括：超高速交換、統(tǒng)一交換、虛擬化交換、透明化交換。

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二、 云的統(tǒng)一基礎網(wǎng)絡

1. 云計算的超高速網(wǎng)絡

以太網(wǎng)技術迅速發(fā)展，10GE技術當前已經(jīng)在數(shù)據(jù)中心的骨干廣泛應用，圖2顯示了2010年的以太網(wǎng)技術40G/100G標準發(fā)布，表明基礎網(wǎng)絡將快速進入超高速時代。

同樣，服務器IO也由千兆向萬兆快速發(fā)展，隨著IO加速技術、IO虛擬化技術的不斷提升以及服務器多路多核計算能力的提升，當前的服務器IO已經(jīng)具備接近10GE線速的吞吐能力，這種來自網(wǎng)絡接入層的高性能吞吐必然驅(qū)動云計算網(wǎng)絡架構采用更高的性能，以滿足能力的匹配(如圖3所示)。

圖3 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的高帶寬發(fā)展

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2. 云計算的統(tǒng)一交換網(wǎng)絡

以太網(wǎng)原本是以簡單、高效為特質(zhì)的常規(guī)技術，適用于常規(guī)網(wǎng)絡通信的支撐，依賴于上層協(xié)議解決網(wǎng)絡擁塞、丟包問題。隨著以太網(wǎng)技術的不斷演進與提升，無損以太網(wǎng)技術(Lossless Ethernet)標準族開始確立。

這一標準族稱為數(shù)據(jù)中心以太網(wǎng)DCE或融合增強以太網(wǎng)CEE，包括基于優(yōu)先級的流控(Priority-based flow control PFC; IEEE 802.1Qbb) 、增強傳輸選擇技術(Enhanced transmission selection ETS; IEEE 802.1Qaz) 、擁塞通告(Congestion notification IEEE 802.1Qau) 、鏈路發(fā)現(xiàn)協(xié)議LLDP (IEEE 802.1AB)的擴展數(shù)據(jù)中心橋能力交換協(xié)議(Data Center Bridging Capability Exchange Protocol DCBX)。以當前已經(jīng)完全實現(xiàn)的PFC+DCBX組合為例，如圖4所示，在交換機端口的8個隊列進行buffer的分配，形成了網(wǎng)絡中8個虛擬化通道，數(shù)據(jù)流帶上自身的通道標簽(802.1q進行標識)，buffer大小使得各隊列有不同的數(shù)據(jù)緩存能力，由DCBX協(xié)議交換不同網(wǎng)絡單元的基本能力信息，以確定數(shù)據(jù)的突發(fā)能力。
 

圖4 無丟包以太網(wǎng)

一旦出現(xiàn)瞬時擁塞，即某個設備的隊列緩存消耗較快，超過一定閾值(可設定為端口隊列的1/2、3/4等比例)，設備即向數(shù)據(jù)進入的方向(上游設備)發(fā)送反壓信息，上游設備接收到反壓信息，會根據(jù)反壓信息指示停止發(fā)送或延遲發(fā)送數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲在本地端口buffer，如果本地端口buffer消耗超過閾值，則繼續(xù)向上游反壓，如此一級級反壓，直到網(wǎng)絡終端設備，從而消除網(wǎng)絡節(jié)點因擁塞造成的丟包。

無損以太網(wǎng)的特性，可以完全滿足存儲業(yè)務對于丟包的敏感性，因此，F(xiàn)C存儲數(shù)據(jù)承載在以太網(wǎng)上(FCoE)，基于DCE技術的支持，新一代以太網(wǎng)技術完全可以融合數(shù)據(jù)中心的存儲網(wǎng)絡形成全業(yè)務的統(tǒng)一交換。在這樣的技術支撐下，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡將實現(xiàn)合并，使得原本多種異構的網(wǎng)絡形態(tài)合并到一套網(wǎng)絡，從而也實現(xiàn)了多個網(wǎng)絡管理合并、簡化成為一個管理視圖(如圖5所示)。
 

圖5 數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一交換網(wǎng)絡

以太網(wǎng)帶寬的增長使得在兼容后續(xù)FC更高帶寬8G、16G的FCoE技術成為可能，如圖6所示，當前的10GE DCE技術支撐的FCoE可完全支持4G/8G FC向10G FCoE的融合，有些網(wǎng)卡的FC-FCoE映射就是直接將4G/8G FC載入以太網(wǎng)進行轉(zhuǎn)發(fā)。對于后續(xù)更高帶寬的40G以太網(wǎng)技術會延續(xù)和完善DCE特性，因此可對更高的FC帶寬16G進行融合。
 

圖6 FCoE的融合趨勢

統(tǒng)一交換網(wǎng)絡提供對云計算的支撐，可提供單一數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡，實現(xiàn)云計算上層應用對數(shù)據(jù)交換、傳送通道與IO的簡化統(tǒng)一操作，同質(zhì)的底層網(wǎng)絡提供超高容量數(shù)據(jù)吞吐支撐、提供廣泛兼容的云應用升級與擴展能力。

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3. 云計算的虛擬化交換網(wǎng)絡

虛擬化技術是云計算的關鍵技術之一，將一臺物理服務器虛擬化成多臺邏輯虛擬機VM，不僅可以大大提升云計算環(huán)境IT計算資源的利用效率、節(jié)省能耗，同時虛擬化技術提供的動態(tài)遷移、資源調(diào)度，使得云計算服務的負載可以得到高效管理、擴展，云計算的服務更具有彈性和靈活性。

從網(wǎng)絡角度看虛擬化的計算資源，，一個VM完全等效于一臺物理服務器在運行，而VM的動態(tài)機制，則與物理服務器的位置搬遷是完全不一樣的，對于VM遷移帶來的網(wǎng)絡配置、統(tǒng)計、策略控制等復雜管理工作，使得當前網(wǎng)絡運維難度增大，因此，網(wǎng)絡支持虛擬交換技術，對于遷移的VM而言，網(wǎng)絡總可以跟隨VM的動態(tài)變化提供按需交換(配置、統(tǒng)計、監(jiān)控、管理)，能夠極大強化云計算的虛擬化服務功能(如圖7所示)。
 

圖7 虛擬化交換網(wǎng)絡

一種新的網(wǎng)絡虛擬化技術EVB(Edge Virtual Bridging：IEEE 802.1Qbg)標準正在制訂，這種技術使得虛擬化后服務器上VM的虛擬網(wǎng)卡標準化，并以擴展的LLDP標準協(xié)議與網(wǎng)絡交換VM信息。EVB要求所有VM數(shù)據(jù)的交換(即使位于同一物理服務器內(nèi)部)都通過外部網(wǎng)絡進行，即外部網(wǎng)絡能夠支持虛擬交換功能，對于虛擬交換網(wǎng)絡范圍內(nèi)VM動態(tài)遷移、調(diào)度信息，均通過LLDP擴展協(xié)議得到同步以簡化運維。

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4. 云計算的透明化交換網(wǎng)絡

對于虛擬化云計算服務，需要構建大范圍(數(shù)據(jù)中心內(nèi)部、數(shù)據(jù)中心之間)的二層互聯(lián)網(wǎng)絡，以支持虛擬機算資源的遷移和調(diào)度(對于大型集群計算，也可構建二層網(wǎng)絡，以保持集群的簡單，但目前也有構建路由網(wǎng)絡連接實現(xiàn)大型集群)。二層網(wǎng)絡的好處是對虛擬機的透明化，但是為保證網(wǎng)絡的高性能、可靠性，需要解決網(wǎng)絡環(huán)路問題。

數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，通過采用IRF2技術(智能彈性架構)，可以構建大型的二層透明交換網(wǎng)絡，具有網(wǎng)絡結(jié)構簡單、保持高性能與高可靠、避免環(huán)路的好處。在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，構建端到端的IRF2虛擬化網(wǎng)絡，實現(xiàn)內(nèi)部虛擬化計算的透明交互(如圖8左側(cè)圖所示);構建IRF2核心網(wǎng)，核心網(wǎng)設備位于不同地域，但是虛擬化成一臺邏輯設備，數(shù)據(jù)中心與核心網(wǎng)以跨地域聚合鏈路互聯(lián)，消除了網(wǎng)絡環(huán)路，也保證了網(wǎng)絡的可靠性和鏈路充分利用(如圖8右側(cè)圖所示)。
 

圖8 基于IRF2的云計算透明交換網(wǎng)

目前為解決網(wǎng)絡的二層透明環(huán)境部署問題，一種新技術TRILL(Transparent Interconnection of Lots of Links多鏈路透明互聯(lián))正在形成標準，這種技術的本質(zhì)是改造交換技術和IS-IS路由技術，實現(xiàn)在IS-IS路由網(wǎng)絡下的大規(guī)模二層交換承載(如圖9所示)。
 

圖9 基于TRILL的透明交換網(wǎng)絡

TRILL網(wǎng)絡的鏈路層可以是以太網(wǎng)，也可以是PPP鏈路，因此這種新的標準具有很大的適應性，可在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部高速網(wǎng)絡實現(xiàn)，也可以用于連接基于PPP鏈路的廣域網(wǎng)絡。

三、 結(jié)束語

云計算作為一種新型的IT運行模式，要求新的架構來支持其不斷發(fā)展，以實現(xiàn)云服務的彈性、動態(tài)等關鍵需求，而其支撐網(wǎng)絡也必然會形成統(tǒng)一的基礎架構，超高速、統(tǒng)一交換、虛擬交換、透明交換等新的技術特性會隨著技術的逐步成熟廣泛應用到云計算中。