云计算背景下数据中心网络架构设计与技术研究

云计算背景下数据中心网络架构设计与技术研究作者：严岳林黄志远张航方成彬来源：《移动通信》2013年第20期近年来以互联网为代表的数据通信业务发展迅速，云计算是互联网时代信息基础设施与应用服务模式的重要形态。

首先介绍了互联网数据中心的网络架构、设计原则与目标，其中重点对云计算背景下IDC的网络技术的新特点和新技术进行了细致的分析研究，并提出实际案例来证实新技术的重要性及可靠性。

IDC 云计算数据中心网络大二层网络Research on Data Center Network Structure Design and Technology in the Background of Cloud ComputingYAN Yue-lin1， HUANG Zhi-yuan1， ZHANG Hang2， FANG Cheng-bin2（1. Guangdong.China Mobile，Zhuhai Branch， Zhuhai 519000， China；2. Huaxin Post & Telecom Consulting and Designing Institute Co.， Ltd.， Hangzhou 310000，China；）In recent years， the data communication services have grown rapidly， represented by the Internet. Cloud computing is the important form of information infrastructure and application service mode in the age of Internet. At first， the network structure， design principles and targets of the Internet Data Center （IDC） is presented， specially the new characteristics and technologies of network in the background of cloud computing is analyzed in-depth， which proves to be important and reliable by the practical case proposed.IDC cloud computing data center network big two-layer network1 引言在信息时代，以互联网为代表的数据通信业务发展迅速，企业和政府信息化建设飞速进行，互联网数据中心（IDC）业务在此背景下应运而生。

它是以电信级机房和网络资源为依托，以高水平专业化技术队伍为支撑，为各类客户提供设备托管及相关增值服务，并定期向客户收取相应服务费用的一种产品。

云计算是互联网时代信息基础设施与应用服务模式的重要形态，是新一代信息技术集约化发展的必然趋势。

它以资源聚合和虚拟化、应用服务和专业化、按需供给和灵便使用的服务模式，提供高效能、低成本、低功耗的计算与数据服务支撑各类信息化的应用。

它有着高可扩展性、易用性、自动化、可量度性、快速响应、可靠性等特点。

中国移动于2009年开始推动IDC业务，目前广东移动珠海分公司新IDC机房也将建设完成，恰逢云计算产业正在国内如火如荼发展。

如何在新背景下对机房的网络架构进行设计，如何适应云计算为数据中心带来的新特性将是本文研究的重点。

2 IDC网络架构设计2.1 设计原则与目标一个IDC系统应该具有以下几点：（1）标准化IDC网络系统的设计必须基于国际标准和国家颁布的有关标准，包括各种计算机局域网、广域网标准，坚持统一规范的原则，在不违反大原则的基础上根据运营商自身特点进行定制化修改，从而为未来的业务发展奠定基础。

（2）时效性IDC机房系统应采用先进成熟的技术和设备，其设计既要满足当前的需求，又要兼顾未来的业务需求（云计算），并尽可能采用最先进的技术、设备和材料，以适应高速的数据传输需要，使整个系统在一段时期内保持技术的先进性，并具有良好的发展潜力。

（3）扩展性IDC网络应具有良好的扩展性，能够根据今后业务不断深入发展的需要，扩大设备容量并提高用户数量和质量，具备支持多种网络传输、多种物理接口的能力，并能进行技术升级和设备更新。

扩展的关键在于能否实现合理的层次化及模块化设计，采取层次化及模块化的设计可以根据网络需求的变化，在不影响现有网络运行的状况下迅速扩展。

（4）可靠性高可用性是IDC运营成功的关键，是高端用户特别是政企用户最为关注的问题，它包括物理空间的安全控制及网络的安全控制。

设计中包括网络设备本身的冗余能力以及网络的冗余设计。

为保证各项业务的顺利开展，网络必须具有高可靠性，决不能出现单点故障。

关键设备应采用硬件备份、冗余等可靠性技术，同时提供较强的管理机制、控制手段和事故监控与安全保密等技术措施。

（5）可控性对于IDC的运营而言，运营管理的成功就是IDC业务成功的标志。

随着业务的不断拓展，管理的工作必定会加大，必须建立一套全面、完善的机房管理和监控系统，所选用的设备应具有智能化、可管理的功能，同时采用先进的管理监控系统设备及软件。

2.2 网络分层设计基于上面的原则，在IDC建设中可采用的方式分层如图1所示。

在珠海IDC网络设计中，遵循TCP/IP设计方案，采用多层次设计方式。

关键设备均采用电信级的全冗余设计：采用冗余网络设计，层次与层次之间采用全冗余连接。

重要网络模块冗余采用负载均衡、双机备份等多种冗余技术。

（1）互联网接入层负责与CMNET的互联，对路由信息进行转换和维护。

在该层配置高端路由器，并连接到IP骨干网，以全冗余方式与核心层互连。

借助高端路由器的高性能及丰富的特性，提供全冗余、高速、高性能接入网络。

配置2台高端路由器分别和互联网骨干节点相连，这样既保证了数据在2个节点上的负载分担，又保证了出口接入设备的1+1备份，还不会因接入路由器的单点故障而影响网络的正常运行。

（2）核心汇聚层负责上联到核心路由器，为客户提供差异化服务和网络安全保障。

该层需要具有较强的扩展能力，应该配置高性能、大容量的多层交换机，分别与互联网接入层的2台高端路由器采用10GE端口交叉连接，交换机之间用2条10GE连接，采用链路捆绑技术捆绑物理连接，形成一个负载均衡的逻辑连接。

（3）业务接入层负责接入主机设备和网络设备，提供多种安全及QoS策略。

业务接入层不需要为其提供高层交换能力，而是需要为其提供高速高性能的二、三层交换。

在接入层所提供的高速链路上，用户将根据需要构建自己的内部网络结构。

接入层采用交换机将服务器与核心层连接起来，同时可以根据用户的需求放置防火墙设备、负载均衡器及安全监控设备，从而为用户提供更高的个性化安全及性能保障。

（4）运营管理层负责对网络系统的日常维护、策略实施等。

为了保证IDC机房对网络设备和服务器的严格管控，应采用单独的管理区设计，把业务区和管理区区分，服务器采用双网卡方式实现业务和管理的分流，这样既增加了网络设备和服务器管理的高效性和安全性，又使业务和管理流量由2个分离网络分担。

将管理区域划分成客户工作区和后台管理区：客户工作区使客户通过二层交换机和代理实现对自己服务器的管理；后台管理区是IDC机房提供出入管理、监控、系统管理和网络管理等应用的关键区域，需要较高的安全性，需根据网段的安全级别进行多层次划分。

2.3 数据中心设备功能选择根据上面的各层的设计需要，对每层的设备需求进行一个分析。

总体来讲，每一层的设备可选用的有高端路由器、高端三层交换机、普通二层交换机。

每一层设备采用电信级双冗余网络拓扑结构。

路由器主要功能是路由转发，基本功能就是最优路径的选择和传输数据包，实现数据包在网间的传递，侧重路由转发能力。

三层交换机本质上是一个带有三层路由功能的二层交换机，是两者有机结合，并不是路由器设备的硬件及软件简单地叠加在二层交换机上，除了必要的路由决定过程外，大部分数据转发过程由第二层交换处理。

因此对于设备的选择，需要以实际的网络流量和规模来决定。

情况一：IDC内各个服务器设备之间数据互访较少，网内流量很少通过上层核心汇聚层交换，同时网内服务器系统需要和互联网外系统进行通信，对路由处理需求较大。

基于该情况，在目前路由器端口密度已接近交换机，同时网络规模不大的情况下，可以考虑在核心汇聚层使用路由器。

情况二：当IDC内各个网间存在数据互访需求，需要和互联网外系统进行通信，同时网络规模偏大时，可以考虑在核心汇聚层使用三层交换机，将路由功能放在互联网接入层来实现。

在云计算的环境下，各个IDC子网间的虚拟资源迁移的实现、对异地统一资源池管理的实现也需要专门的针对数据中心设计的三层交换机和路由器设备。

具体的设备技术功能将在下文阐述。

3 云计算数据中心网络技术研究3.1 云计算对网络的要求在云计算场景下，IDC的运营商为各类企业提供各种服务，包括云计算应用、网络和存储服务。

云计算数据中心相比较传统数据中心对网络的要求有以下变化：（1）支持服务器虚拟化和资源自由迁移传统IDC场景下，物理服务器通常只被单一租户的单一业务使用，所以单台服务器的利用率会比较低。

虚拟化技术使得一台物理服务器可以被虚拟成多台服务器来使用，提高了服务器的使用率。

使用了虚拟化技术以后，虚拟机的迁移不再涉及物理上的搬迁。

网络层面要支持迁移时用户的相关业务不中断，并且可自由进行数据接入。

（2）支持多租户，计算节点间无阻塞交换传统IDC场景下，用户要自建或者租用数据中心的硬件和基础设施用于自己业务的计算和存储，每租户拥有独立的数据中心。

云计算环境下，多个企业或者租户可以向提供云计算的运营商租用资源（计算、网络、存储），而不再是物理硬件。

这里的要求体现在针对每个租户业务的快速配置和部署以及租户之间的流量隔离的实现。

同时多租户带来了网络数据吞吐量的急速增加，需要修改网络拓扑结构以构建无阻塞网络。

（3）支持虚拟机之间通信流量的管控虚拟化后出现了很多虚拟机，虚拟机的网络流量不再限制在物理端口中，流量交换往往在物理服务器的内部进行。

因此网络必须具有虚拟感知的能力，使虚拟机之间的数据流量可监控、可管理。

（4）支持多数据中心间互联通常情况下多数据节点之间的通信依靠互联网为主体的三层网络互联。

针对云计算的可迁移、可复制特点，需要在虚拟机迁移的IDC间实现端到端大二层连接。

3.2 关键实现技术在数据通信会话中，只有两个角色：客户端（Client，简称C）和服务器（Server，简称S）。