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      超級劇透季六: 可編程白盒交換機,云數據中心“新基建”變革的推手

      發表時間:2021-12-17

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      如果說20年前,提起“基建”國人心中第一反應是公路、鐵路、機場、橋梁的大建快上,那么未來20年,支撐中國經濟繁榮發展的“新基建”則是基于數據中心、云計算、5G、人工智能等科技領域基礎設施的大規模建設。

      作為云計算、人工智能、5G技術的支撐載體,數據中心自然是“新基建”的核心底座,是未來云網融合發展的戰略性基礎資源。其中,云計算數據中心又是其中發展最快的一個分支。云計算數據中心,簡稱云數據中心,是一種基于云計算架構,高度虛擬化、自動化、節能化的新型數據中心。與傳統數據中心機房與IT系統相互割裂不同,新一代云數據中心更加強調與IT系統的協同調配能力,通過集約化管理實現虛擬資源的動態配置,用戶可以按需調用資源,并自動進行流程化管理,包括對物理服務器、虛擬服務器的管理,對相關業務的管理、對客戶計費的自動化管理等等。

      云數據中心“新基建”面臨的困境
      近幾年,云數據中心的發展勢頭可以用高歌猛進來形容,年增速一度超過40%。在規?;逃靡约靶录夹g迅猛發展的同時,云數據中心網絡發展也面臨諸多困境和問題。


      - 流量激增帶來前所未有的帶寬壓力
      隨著流量的爆發和云計算、人工智能等技術的大規模應用,云數據中心對外南北向以及對內東西向流量均迎來大爆發。特別值得一提的是,虛擬化以及大量分布式應用的遷入,促使云數據中心流量模型急速變化,數據和應用從原來的單一分布轉變到分布在成千上萬個服務器上,導致網絡內部東西向流量激增并占據總流量的90%以上,給網絡架構帶來了巨大的轉發壓力。高帶寬、低時延、低抖動成為衡量數據中心服務質量的關鍵指標。

      - 網絡基礎設施需要適應靈活多變的網絡業務
      不同于傳統數據中心,IT 能力是云數據中心的核心競爭力,快迭代速、更開放的管控能力,以及更靈活的業務部署能力,是新一代云數據中心基礎設施建設的基本特征。如何適應云計算靈活多變的業務場景,快速構建大規模資源池,利用多中心資源統一調配管理,讓業務快速彈性上線,是云數據中心網絡基礎設施必須跨過的檻。


      - 急需統一化、智能化網絡運維管理
      大規模和超大規模建設是云數據中心未來發展的大趨勢,目前來看,單個大規模云數據中心機柜數量在4000至100000萬之間,數量驚人。另外,云化以及NFV技術的發展,網絡動態感知VM的動態遷移及應用的彈性擴縮,頻繁的配置變化,傳統黑盒模式下不同廠家設備型號難以互通,運維界面不統一,自動化程度低,故障難以定位等等,多方面因素疊加,讓云數據中心網元管理對象和管理難度大幅度增加,傳統網絡運維手段已無法適應云數據中心網絡的發展。

      面對以上問題,在OCP、ONF和ODCC等聯盟的大力推動支持下,可編程白盒設備以其開放開源、高性價比、快速迭代和智能定制化的特性成為新一代云數據中心基礎設施的最佳配置選擇。由于特有的軟硬件解耦及可編程特性,在網絡配置中可編程白盒設備可作為交換機、防火墻、網關等設備使用,其中云數據中心交換機是最典型的應用之一。

      可編程白盒設備,賦能云數據中心交換機

      通常,傳統數據中心采用三層網絡架構,即接入層、匯聚層和核心層,通過接入交換機、匯聚交換機和核心交換機進行各層之間的數據交換。

      • 接入交換機主要負責服務器物理機和虛擬機的接入。

      • 匯聚交換機連接接入交換機,同時承擔一部分網關的作用。

      • 核心交換機連接多個匯聚交換機,主要負責對進出數據中心的流量進行高速轉發。



      這種網絡架構,存在帶寬浪費、故障影響范圍大、網絡可擴展性差等諸多弊端。對新一代云數據中心而言,為了適應云服務快速擴展和高帶寬低時延的要求,云數據中心采用Spine-Leaf網絡架構,Leaf交換機相當于接入交換機,Spine交換機相當于核心交換機。Spine-Leaf架構中,東西向流量和南北向流量處理模式一致,可以實現流量的無阻塞轉發。同時, Spine-Leaf架構具備很好的橫向擴展能力,能確保網絡的高可靠性。

      在Spine-Leaf架構中,可編程白盒交換機完全可以替代傳統交換機,承擔接入交換機和核心交換機的角色。以恒揚PS系列可編程白盒設備為例,旗下PS7252系列、PS7350系列、PS8465系列可以滿足Leaf節點需求,而PS7350系列、PS8550系列、PS8560系列、PS8350系列可滿足Spine節點需求。

      按照PS7252系列作為 Leaf節點、PS7350系列作為Pod Spine節點,組成一個Pod的Spine-Leaf結構。該Pod中最多可支持24*32=768臺服務器,當一個Pod的容量已滿,通過增加Pod的方式,并用Spine將這些Pod連通,即可實現網絡的繼續擴容。

      可編程白盒設備為云數據中心交換機帶來的價值:

      1.  協議無關性的轉發:恒揚PS可編程白盒設備完全開源,運行開源SONiC操作系統,使用P4語言自定義包解析器、匹配-動作表的匹配流程和流控制程序實現自有數據中心不同網絡數據平面協議和數據包處理行為。

      2.  軟硬件解耦的開源環境:用戶不需要關心底層硬件的細節就可通過P4前后端編譯器(前端編譯器將P4高級語言程序轉換成中間表示IR(Intermediate Representation),后端編譯器將IR編譯成設備配置)來自動配置目標設備。

      3.  模塊化的設計提供靈活的重構平臺:P4語言的編譯器采用了模塊化的設計,通過IR實現各個模塊之間的輸入輸出都采用標準格式的配置文件,在開源系統中允許用戶隨時改變包解析和處理的程序 ,并在編譯后配置交換機,真正實現現場可重配能力。


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