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活動快報


Author : MichaelQQ
Article ID : 1140
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Version 1.03
Published Date: 2014/8/15 18:50:00
Reads : 598


圖一 Fat-Tree資料中心網路架構[1]

摘要 — 雲端網路的發展迅速,舊有的傳統網路技術已經不符合在雲端網路的需求。近年來投入雲端資料中心的研究文獻也相當多,我們針對雲端資料中心的網路部分做一系列的探討,透過文獻的閱讀歸納出舊有網路架構在雲端網路中的困境,並且介紹多項新興網路技術,探討各項技術中的運作模式,以及技術與技術之間的差異和優缺點比較。

一、    簡介

雲端,這個詞在現今已經紅遍大街小巷,然而雲端究竟是甚麼,其中究竟有甚麼樣的關鍵技術與應用,其實牽涉範圍極廣極深。

雲端簡單的區分有如OSI參考模型 (Open Systems Interconnection Reference Model) 七層的區分,一般來說大眾所認知的雲端服務都是屬於上層的應用層 (Application Layer) 部分,然而為了提供多元且兼顧快速的雲端服務,如何於雲端資料中心中突破傳統底層網路的限制便成了大課題。

透過對 OSI 七層中的底層更多的理解,我們才能更了解為何雲端資料中心的網路需要新的架構。我們首先說明傳統第二層網路與第三層網路的特性與限制,接著說明雲端資料中心對網路的需求既有雲端資料中心網路的架構,導出雲端資料中心網路要往第二層網路發展的結論。


二、   傳統網路架構探討

2.1 傳統網路架構

網路常常是以層的概念來進行描述,OSI模型將網路分成七層。雖然透過層的概念來理解網路是相當有幫助的,然而實際運行於其中的協定是複雜得多。對於新興網路的認識,我們可以專心在OSI模型的底層部分,第二層與第三層。[2]

OSI 第二層為資料鏈結層 (Data link Layer) ,主要是提供使鄰居可以在鏈路上交換封包的協定,常見協定如:乙太網路 (Ethernet) 

OSI 第三層為網路層(Network Layer),主要是提供路由資訊來創造從來源端至目的地端的路徑,常見協定如:IP協定 (Internet Protocol) 

在第二層的網路中有著以下幾點優點,包括低消耗(僅需要轉發封包)、沒有路由的計算因此提供相當低的延遲。而這些優點就帶來相對的缺點,轉發封包代表著路由功能上的缺乏,因此第二層網路中皆是使用廣播的方式來抵達(或學習)未知的目的地,進而有所謂的廣播風暴,在較大型的網路中,這些廣播所造成的阻塞與所消耗的網路頻寬是相當可觀的,並且在對於切割零散的IP子網路是需要額外的功能才能來進行管理。

相較來說,第三層網路層所用的IP協定,可以有效地將ARP (Address Resolution Protocol)DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)等廣播封包限制在區域網路內,使網路頻寬更有效率的使用。這也意味著第二層網路是有其大小的限制,而第三層網路在正確的配置與硬體的搭配下是能無限增長的。

在第三層網路中,透過對IP位址的讀取,能夠得知並重新計算路由資訊,針對封包狀態進行修改,如第二層所沒有的跳數 (hop count) 遞減,並將此封包繼續傳向下個節點,也因此第三層網路在處理封包上是需要花多餘的時間的。

如上所述,可以發現雖然第三層網路花費掉更多的時間,但網路的佈建範圍在正確的作法下是沒有限制的,可以透過IP位址的分配來完成子網路的管理,並且有效限制住廣播封包,因此第三層網路成了現今網路主流,廣泛運用在全世界的網路之中。


2.2 雲端資料中心

新興雲端資料中心的主要架構為虛擬化資料中心 (Virtualized Data Center) (虛擬化將會在系列二文章介紹),虛擬化主要的應用為資料中心內不再是許多機器的建置,而是透過大型主機伺服器、儲存系統、能源系統、網路設備等等所組成,透過管理系統來去達成虛擬化功能。基本概念便是由管理系統對實體的設備進行虛擬切割,使每台虛擬機器可以擁有各別設定的硬體資源、記憶體等不同需求大小,並且可以運行不同的作業系統。在虛擬化資料中心裡,使用者可以擁有一組屬於自己的虛擬機器 (Virtual Machine) ,這之間的連線都是透過虛擬化連線來達成。

而傳統網路資料中心的網路架構包含了第二層、第三層網路,並且透過IP路由在多重乙太區域網路中互連,圖一所示為以Fat-Tree架構佈建的傳統資料中心網路網路上的交換器(Switch)和伺服器(或內部的虛擬機器)IP位址的分配有嚴格的規定,而且路由或封包轉送是以IP位址為準則,這樣的架構將無法應付數量相當龐大的虛擬機器,不論是虛擬機器的數量甚至是虛擬機器的移動,都成了很大的挑戰。

要建置一個虛擬化資料中心,主要有下列幾點的需求:虛擬機器的移動(Virtual Machine mobility)、無阻擋的任意連線 (Any-to-any connectivity with full non-blocking fabric)、容錯能力(Fault tolerance)、動態的數量配置(Dynamic scalability)、簡易的管理(Simplified management)、私有網路的支援(Private Network support),而第二層網路的優點,例如:MAC位址的扁平特性和隨插即用的特性(plug-and-play) 等,較第三層網路更易滿足上述需求因此有許多研究都致力於使用第二層的網路技術來佈建雲端網路與廣域網路,若能運用其效能和方便建制的特性在建制大型網路時可以更方便快速。

參考文獻

[1] M. Al-Fares, A. Loukissas and A. Vahdat, “A Scalable, Commodity Data Center Network Architecture,” ACM SIGCOMM’08, Aug. 2008.

[2] R. Perlman, "Introduction to TRILL," The Internet Protocol Journal, Vol. 14, No. 3, pp. 2-20, September 2011.

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