馬濤

摘要：隨著近年來我國信息化時代的到來，云計算和虛擬化技術(shù)得到快速發(fā)展，在IT行業(yè)中對網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的研究是其重點，新一輪技術(shù)革命是以云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展為代表，云計算的發(fā)展使數(shù)據(jù)中心的建設(shè)規(guī)模增加，從而對數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)需求也在不斷增加，為了解決這些需求問題，網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)是其重要手段。該文通過云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的分析，對技術(shù)實現(xiàn)及虛擬化技術(shù)原理進(jìn)行分析，為云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的虛擬化技術(shù)發(fā)展提供發(fā)展的路徑。

關(guān)鍵詞：云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)；虛擬化技術(shù)；實現(xiàn)及應(yīng)用

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）18-0054-03

在大數(shù)據(jù)時代下，云計算已經(jīng)成為IT建設(shè)的重點，云計算技術(shù)重要的是虛擬化技術(shù)的實現(xiàn)，目前在云計算技術(shù)的推動下，網(wǎng)絡(luò)時代發(fā)生了較大的改變。云數(shù)據(jù)中心未來發(fā)展趨勢是接入10G級的以太網(wǎng)，以以太網(wǎng)為核心，滿足虛擬化技術(shù)大流量的使用需求，是一種扁平化、跨數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，滿足虛擬機(jī)遷移和橫向流量需求，也是一種可編程和開放式的網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)Naas，也可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)隨著虛擬機(jī)的遷移而發(fā)生變動的需求，同時也滿足用戶上層應(yīng)用和中間層來調(diào)用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。以上均對云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了清晰的定義，與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)存在較大的差異。簡單來說，云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)在建設(shè)過程中需要考慮其安全性、可靠性、可擴(kuò)展性、網(wǎng)絡(luò)性能及可維護(hù)性，采用先進(jìn)技術(shù)提高資源利用率，而這一資源即是指虛擬化技術(shù)，通過虛擬化技術(shù)，可以為計算機(jī)提供高配置技術(shù)，是系統(tǒng)高速運行和可靠運行的重要保障。

1虛擬化技術(shù)

虛擬化技術(shù)的主要基礎(chǔ)是資源層次，將基礎(chǔ)資源轉(zhuǎn)換為邏輯資源，將資源壁壘進(jìn)行打破，從而掩蓋資源之間存在的差異性，使資源得到充分的利用，并將資源靈活分配和快速移植。最初在服務(wù)器中虛擬技術(shù)便得到了應(yīng)用，將硬件計算機(jī)變成多個虛擬機(jī)，且各個虛擬機(jī)之間存在單獨的網(wǎng)卡資源、內(nèi)存和CPU，可以將虛擬機(jī)作為獨立計算機(jī)進(jìn)行使用。由于虛擬系統(tǒng)主要是通過文件保存的方式來實現(xiàn)的，更加便于備份及遷移，可以對應(yīng)用系統(tǒng)中的搭建需求快速響應(yīng)。在服務(wù)器中虛擬技術(shù)的發(fā)展，有逐漸出現(xiàn)了虛擬化應(yīng)用、虛擬化存儲及虛擬化桌面等諸多虛擬技術(shù)。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬化技術(shù)逐漸出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中，由于出現(xiàn)時間較晚，作為信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，人們對虛擬技術(shù)的穩(wěn)定性及可靠性更加重視，但對虛擬化技術(shù)的靈活性和經(jīng)濟(jì)性要求較低。近年來，IT行業(yè)中硬件性能在不斷提高，虛擬化技術(shù)在其他領(lǐng)域中也獲得了一些成功的經(jīng)驗，因此在網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中IT工程師也更加重視虛擬化技術(shù)，并研發(fā)出了一系列的技術(shù)，如鏈路虛擬化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬化技術(shù)、路由虛擬化技術(shù)和端口虛擬化技術(shù)等。

2數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

云基本特征是云基礎(chǔ)架構(gòu)具備靈活性、動態(tài)性和彈性特點，而數(shù)據(jù)中心作為云基礎(chǔ)架構(gòu)核心成分具備這一要求。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心也可以構(gòu)成云計算核心基礎(chǔ)，但由于傳統(tǒng)的運行架構(gòu)難以滿足IT業(yè)務(wù)動態(tài)需求，作為新的IT行業(yè)運行模式，大量資源計算是以按需和動態(tài)服務(wù)方式進(jìn)行部署和供應(yīng)。交換架構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備核心，數(shù)據(jù)中心是面向綜合應(yīng)用和云計算的一種基礎(chǔ)性平臺，對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備交換架構(gòu)要求也更高。對于大容量或超大容量機(jī)架式的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，一般采用CLOS交換架構(gòu)和矩陣交換架構(gòu)，用線卡作為業(yè)務(wù)處理和轉(zhuǎn)發(fā)的一種組成部件，實現(xiàn)緩存交換共享。

2.1傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是以CIOQ交換架構(gòu)為主，包含一個或多個并行工作無緩存芯片，且每個芯片可以通過交換網(wǎng)端口上實現(xiàn)所有輸入端的FA端口和輸出端的FA端口之間的連接。業(yè)務(wù)調(diào)度一般是通過集中沖裁器，將所有輸入輸出端的FA芯片與交換芯片進(jìn)行連接，F(xiàn)A芯片將端口出口的擁塞情況定時向集中沖裁器匯報。傳統(tǒng)云數(shù)據(jù)中心主要是由網(wǎng)絡(luò)、存儲、服務(wù)器所構(gòu)成，通常情況下運營商采用FCOE來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)存儲，而數(shù)據(jù)中心的三層網(wǎng)絡(luò)主要是由接入層、匯聚層和核心層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，此外還有跨數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)組成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)交互。其中數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)按照自下而上的順序先是接人層，接人層主要是負(fù)責(zé)接入終端設(shè)備，同時向上級接入?yún)R聚層設(shè)備。匯聚層則是對下層接人層負(fù)責(zé)多個業(yè)務(wù)交換設(shè)備的接入，向上和核心層的交換設(shè)備實現(xiàn)互聯(lián)。核心層則是向下層匯聚層中的交換設(shè)備實現(xiàn)匯聚，并確保在網(wǎng)絡(luò)中匯聚層的交換設(shè)備實現(xiàn)高速交換，并向上接入網(wǎng)絡(luò)出口。跨數(shù)據(jù)中心的作用主要體現(xiàn)在云計算虛擬技術(shù)出現(xiàn)后，在大數(shù)據(jù)時代下數(shù)據(jù)交互性尤為重要。

2.2云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在大數(shù)據(jù)時代到來的同時，云計算在數(shù)據(jù)中心中得到應(yīng)用，在技術(shù)和設(shè)備等因素的影響下，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)逐漸發(fā)生演變，從三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)成為二層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，即接入層和核心層。主要是因為云計算服務(wù)器中主要接入千兆或萬兆網(wǎng)絡(luò)，匯聚層主要是作為接人層設(shè)備的鏈路，在大數(shù)據(jù)下缺乏一定的意義，逐漸減少了對匯聚層的采用。而新一代云數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是基于動態(tài)路由的一種交換架構(gòu)，該交換架構(gòu)也是一種多級架構(gòu)，在每一級中的交換單元都與下一級交換單元實現(xiàn)連接。作為典型的三級交換架構(gòu)主要是由兩個參數(shù)來定義的，參數(shù)k作為中間級交換單元數(shù)量，而參數(shù)n作為第一級和第三級的交換單元數(shù)量，那么第一級與第三級則是由n個K*k交換單元所共同組成的，中間級則是由k個n*n交換單元所組成，形成了一個k*n的交換網(wǎng)絡(luò)，也就是說，在該網(wǎng)絡(luò)下具有k*n個輸入端口和輸出端口。新一代云數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)交換架構(gòu)可以做到可擴(kuò)展性、可重構(gòu)性和無阻塞性，支持交換機(jī)端口系統(tǒng)容量、端口速率和交換機(jī)端口數(shù)量的拓展。

3云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的實現(xiàn)

3.1控制平面虛擬化

控制平面虛擬化技術(shù)，顧名思義是將所有設(shè)備中國的控制平面進(jìn)行綜合，作為一個主體在虛擬交換機(jī)中來對表項同步、協(xié)議處理等問題加以整合。根據(jù)控制平面結(jié)構(gòu)可以將其分為縱向和橫向兩種方向，其中縱向虛擬化是指利用虛擬技術(shù)將不同層次的設(shè)備進(jìn)行合二為一，類似于下游交換機(jī)設(shè)備是上游交換機(jī)設(shè)備的一種接口拓展，在經(jīng)過虛擬后，將控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面集中在一個設(shè)備（上游設(shè)備）上，而下游設(shè)備則主要是負(fù)責(zé)一些簡單同步處理工作，上游設(shè)備中還要負(fù)責(zé)報文轉(zhuǎn)發(fā)等，因此這種虛擬技術(shù)可以看成是一種集中式轉(zhuǎn)發(fā)的交換機(jī)。而橫向虛擬化則是將處于同一層次中的同類型交換機(jī)設(shè)備進(jìn)行虛擬合一，將控制平面工作看成是一個縱向流程，由一個主體來實現(xiàn)，但在轉(zhuǎn)發(fā)平面中所有的盒子和機(jī)框都可以實現(xiàn)流量的本地轉(zhuǎn)發(fā)與處理，是一種典型的分布式轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)構(gòu)。從一定意義上來看，控制平面虛擬化是一種真正的虛擬交換機(jī)，可以同時解決接口擴(kuò)展和統(tǒng)一管理的問題。endprint

3.2數(shù)據(jù)平面虛擬化

控制平面和數(shù)據(jù)平面都是數(shù)據(jù)通信維度，其中數(shù)據(jù)平面也是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面，數(shù)據(jù)平面虛擬化的實現(xiàn)是通過SPB和TRILL這兩個協(xié)議來實現(xiàn)的，這兩個協(xié)議都是作為一種控制協(xié)議，在設(shè)備中計算拓?fù)渎窂剑谵D(zhuǎn)發(fā)時會將原始報文的外層進(jìn)行封裝，將不同目的標(biāo)簽在協(xié)議區(qū)域中來轉(zhuǎn)發(fā)。就外界人士看來，SPB和TRILL這兩個區(qū)域網(wǎng)絡(luò)都是一個虛擬交換機(jī)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)報文進(jìn)入入口后，會完整的從出口出來，其中內(nèi)部轉(zhuǎn)發(fā)過程是一種不可見且無意義的行為。這種數(shù)據(jù)平面的虛擬技術(shù)在廣泛意義上是多虛一的，在二層網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)時可以將規(guī)模范圍進(jìn)行有效擴(kuò)展，就網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中多個節(jié)點虛擬為一個節(jié)點的情況來看，控制平面虛擬化仍然只是停留在個位或十位級別，而數(shù)據(jù)平面虛擬化則已經(jīng)達(dá)到百位級別。但與此同時，其缺點也尤為明顯，數(shù)據(jù)平面虛擬化中引入了對控制協(xié)議的報文處理，無疑使網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度增加，在轉(zhuǎn)發(fā)過程中對數(shù)據(jù)報文還要進(jìn)行封包解包操作，使網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)效率降低。

在二層數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建中，需要集中解決拓?fù)錈o環(huán)路和多路徑轉(zhuǎn)發(fā)的問題，在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)中只有采用STP才能實現(xiàn)無環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)，但由于STP使多路徑冗余中的部分路徑阻塞，帶寬浪費，為整網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)帶來了阻礙。所以在云計算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)中需要采用新型技術(shù)來避免環(huán)路，提高多路徑帶寬的利用效率。而針對上述兩個問題的解決思路主要有兩個，第一，控制平面多虛一，即將核心層虛擬成一個虛擬邏輯設(shè)備，并通過鏈路聚合來促進(jìn)該邏輯設(shè)備和接人層的節(jié)點設(shè)備只存在一條虛擬邏輯設(shè)備實現(xiàn)連接，并使整個網(wǎng)絡(luò)邏輯結(jié)構(gòu)拓?fù)涑蔁o環(huán)樹狀連接結(jié)構(gòu)，滿足多路徑轉(zhuǎn)發(fā)和無環(huán)需求。第二，數(shù)據(jù)平面多虛一。通過核心層和接人層的交換機(jī)引入外層動態(tài)尋址協(xié)議和封裝標(biāo)識來使L2mp需求得到解決，對于接入層設(shè)備來說，接人層和核心層的交換機(jī)虛擬為一臺邏輯框式交換機(jī)。

3.3控制平面多虛一

IRF和VSS是目前應(yīng)用十分廣泛的一種控制平面多虛一技術(shù)，其中IRF是在數(shù)據(jù)中心交換機(jī)中所實現(xiàn)的一種私有技術(shù)，而VSS則是思科的一種私有技術(shù)。兩種技術(shù)的關(guān)鍵是在于以下幾點：第一，基于引擎的主備模式，兩種技術(shù)的主控制引擎都是在一塊主控引擎上，其他引擎作為備份。在主控制引擎中獨立完成表項同步及協(xié)議學(xué)習(xí)等工作內(nèi)容。虛擬交換設(shè)備通常是分布式交換，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)工作主要是由交換板獨立完成。第二，雙活檢測處理。在link出現(xiàn)故障以后，兩個配置相同的虛擬物理設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中存在雙活節(jié)點，從而使上下游設(shè)備出現(xiàn)IP網(wǎng)關(guān)混亂。如果網(wǎng)絡(luò)中存在跨設(shè)備鏈路聚合的情況下，則VSS會通過LACP對報文進(jìn)行拓展，并進(jìn)行互相檢測通知，如在虛擬化物理設(shè)備中存在富裕接口，則可以單獨拉線用于監(jiān)控。專用鏈路出現(xiàn)故障的情況下，IRF和VSS的操作是物理設(shè)備處于備份狀態(tài)，且所有接口關(guān)閉，直到鏈路恢復(fù)，進(jìn)行重新協(xié)商。需要注意的是，這兩個虛擬化技術(shù)在初始協(xié)商時，需要將備份角色的物理設(shè)備重啟，完成虛擬部署。

3.4數(shù)據(jù)平面多虛一

數(shù)據(jù)平面多虛一是將二層網(wǎng)絡(luò)的報文外面封裝一層標(biāo)識，再進(jìn)行尋址轉(zhuǎn)發(fā)，基于外層標(biāo)識可以進(jìn)行多路徑負(fù)載均衡及避免環(huán)路等工作。當(dāng)前公有標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議主要是SPB和TRILL。其中SPB是一種靜態(tài)規(guī)劃轉(zhuǎn)發(fā)路徑，難以用于大型的二層網(wǎng)絡(luò)拓展，SPB網(wǎng)絡(luò)中仍采用的是傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)，為了保障單播負(fù)載均衡及過路驚無環(huán)廣播，需要對相關(guān)軟件算法進(jìn)行定義。TRILL又稱為透明多鏈路互聯(lián)，主要是為數(shù)據(jù)中心開發(fā)的一種技術(shù)，在大型網(wǎng)絡(luò)中對多路徑問題加以解決。

4云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的應(yīng)用

4.1服務(wù)器虛擬化技術(shù)

服務(wù)器虛擬化技術(shù)實質(zhì)上是去耦合技術(shù)，將上層軟件、基礎(chǔ)物理設(shè)備、操作系統(tǒng)分離后，將上層軟件、物理設(shè)備及操作系統(tǒng)置于可遷移的一種虛擬機(jī)文件里，實現(xiàn)統(tǒng)一管理，加快系統(tǒng)備份、部署和軟件發(fā)布，使設(shè)備的耦合性增加，系統(tǒng)的可靠性得到明顯的改善，實現(xiàn)共享目標(biāo)。在實際生活中，云計算通常需要借助于虛擬平臺對硬件設(shè)備分離、虛擬機(jī)管理和資源調(diào)度。服務(wù)器虛擬化技術(shù)不僅可以實現(xiàn)系統(tǒng)的快速部署，還能對虛擬機(jī)進(jìn)行實時遷移，在資源調(diào)整以后可以對系統(tǒng)的可伸縮性進(jìn)行改善，使故障得到快速恢復(fù)，提高了服務(wù)器的可靠性及安全陛。

4.2資源存儲虛擬化技術(shù)

在云計算過程中其運行的重要基礎(chǔ)則是資源存儲問題，所用的這種虛擬化技術(shù)主要是通過抽象的硬件存儲資源表現(xiàn)出來的，也就是說，在多個可提供資源存儲服務(wù)器上采用虛擬化技術(shù)，使底層架構(gòu)由復(fù)雜變得簡單，便于實現(xiàn)和資源先關(guān)的邏輯映像和物理存儲之間進(jìn)行分離，為系統(tǒng)管理人員提供簡單化和無縫化的虛擬視圖。虛擬化技術(shù)在云資源存儲中應(yīng)用，不僅可以便于資源的存儲和管理，還能實現(xiàn)簡單的分配，使終端用戶在沒有終端存儲設(shè)備的情況下也可以實現(xiàn)存儲服務(wù)共享，且使數(shù)據(jù)資源安全性得到了保障。

4.3網(wǎng)絡(luò)服務(wù)虛擬化技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)虛擬化是為用戶提供一種網(wǎng)絡(luò)形式的服務(wù)，滿足用戶的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求，采用虛擬技術(shù)可以使網(wǎng)絡(luò)服務(wù)拓展性得到改善，提高資源利用效率，這也是云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)研究的重點內(nèi)容。由于云數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的虛擬化是由多個層次所構(gòu)成，且各個層次之間具有明確的分工，如接人層、核心層、虛擬網(wǎng)絡(luò)交換等，因此需要根據(jù)龐大的云計算用戶的需求，以及多樣化的介入方式和廣泛的分布范圍，采取一定的措施使網(wǎng)絡(luò)接入可擴(kuò)展性及適應(yīng)性提高。

5結(jié)束語

隨著我國近年來科技水平提升，網(wǎng)絡(luò)通信水平也在不斷提高，迎來了大數(shù)據(jù)時代。在大數(shù)據(jù)時代下，云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的實現(xiàn)及應(yīng)用是行業(yè)內(nèi)重點研究的內(nèi)容，不僅有助于實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息共享，提高資源使用率，也為相關(guān)行業(yè)及企業(yè)創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟(jì)效益，帶動行業(yè)發(fā)展。與此同時，在網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的應(yīng)用中也逐漸凸顯出諸多問題，需要采取一系列措施為云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的安全性及可靠性提供保障，維護(hù)社會利益。endprint