劉雙江

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基于融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)建設(shè)下一代地理信息數(shù)據(jù)中心的探索

劉雙江

福建省基礎(chǔ)地理信息中心

構(gòu)建下一代地理信息數(shù)據(jù)中心須適應(yīng)新時期地理信息數(shù)據(jù)的特性，解決傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的諸多不足。該文結(jié)合福建省測繪地理信息局新數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，就下一代地理信息數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的技術(shù)選擇及建設(shè)要點進行探討。

地理信息 數(shù)據(jù)中心 融合網(wǎng)絡(luò)

按照福建省“十三五”規(guī)劃提出的測繪地理信息服務(wù)保障要求，福建省測繪地理信息局以《信息化測繪體系建設(shè)總體設(shè)計方案》為指導(dǎo)，根據(jù)現(xiàn)有基礎(chǔ)和優(yōu)勢條件，希望通過建設(shè)下一代地理信息數(shù)據(jù)中心，全面提升測繪信息化水平。

隨著大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星遙感等技術(shù)的快速發(fā)展，地理信息資源進入大數(shù)據(jù)時代，獲取手段越來越多，數(shù)據(jù)產(chǎn)生速度快，地理信息資源也并具備多樣化、體量大、快速化、價值高等特性[1]。測繪部門獲得了前所未有的海量數(shù)據(jù)，地理信息大數(shù)據(jù)帶來的復(fù)雜性、多樣性和數(shù)據(jù)的良莠不齊，難以集中處理，提高了測繪生產(chǎn)作業(yè)的復(fù)雜度，也帶動了自動化制圖、遙感影像協(xié)同處理等新技術(shù)的發(fā)展，對傳統(tǒng)測繪作業(yè)方式帶來巨大變革。與此同時，地理信息大數(shù)據(jù)的海量存儲、快速訪問和協(xié)同分析處理，對數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、計算系統(tǒng)提出了巨大挑戰(zhàn)。

1 下一代數(shù)據(jù)中心的建設(shè)目標

通過對現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施整合、數(shù)據(jù)資源規(guī)劃、數(shù)據(jù)庫改造和系統(tǒng)平臺升級建設(shè)，突破數(shù)據(jù)資源管理和共享壁壘，實現(xiàn)分布存儲、統(tǒng)一管理、動態(tài)整合、聯(lián)動更新和按需服務(wù)的省級地理信息數(shù)據(jù)中心[2]。

為了加快形成滿足地理信息數(shù)據(jù)海量存儲、快速訪問和協(xié)同分析處理需要的網(wǎng)絡(luò)、存儲和服務(wù)器等基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境，需要打造高效、敏捷、易維護的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為發(fā)展各類地理信息業(yè)務(wù)應(yīng)用打下堅實基礎(chǔ)。

2 現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心的架構(gòu)

福建省測繪地理信息局現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心采用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備、服務(wù)器、存儲三層架構(gòu)，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)與存儲網(wǎng)絡(luò)各自獨立。數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)作為服務(wù)器、客戶終端通信的網(wǎng)絡(luò)，使用傳統(tǒng)以太網(wǎng)（LAN）技術(shù)；存儲網(wǎng)絡(luò)選擇光纖存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（FC SAN）技術(shù)，服務(wù)器通過FC協(xié)議與存儲設(shè)備通信。網(wǎng)絡(luò)拓撲示意圖見圖1。

圖1

隨著以太網(wǎng)技術(shù)和FC技術(shù)的差異化發(fā)展，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)逐漸暴露了諸多不足。一方面，以太網(wǎng)技術(shù)迅速發(fā)展，迅速普及至1Gbps、10Gbps，支持40Gbps、100Gbps的設(shè)備也不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心核心網(wǎng)絡(luò)交換機通過升級接口速率支持最高至100Gbps，而FC協(xié)議卻發(fā)展緩慢，傳輸速率才普及至8Gbps、16Gbps，支持32Gbps的設(shè)備仍然較少，現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心存儲交換機接口速率最大僅支持16Gbps，與核心網(wǎng)絡(luò)交換機最高速率差距較大；另一方面，作為溝通數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)與存儲網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器設(shè)備，需配置各種網(wǎng)絡(luò)接口，如以太網(wǎng)適配器（NIC）、光纖通道適配器（FC HBA）等，導(dǎo)致在布線、機柜空間和交換機等網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施上至少需要配套兩種并行的、專用的、獨立的架構(gòu)和設(shè)施，增加了數(shù)據(jù)中心的建設(shè)成本、復(fù)雜性和維護難度。

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的不足導(dǎo)致現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心越來越難以滿足地理信息大數(shù)據(jù)時代的要求，對整個數(shù)據(jù)中心架構(gòu)尤其是網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行重構(gòu)勢在必行。為了實現(xiàn)高效、敏捷、易維護的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，下一代地理信息數(shù)據(jù)中心需要適應(yīng)新時代的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

3 技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的選擇

在有效整合現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)上，能否讓存儲網(wǎng)絡(luò)速率達到數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的速率，能否通過以太網(wǎng)傳輸FC數(shù)據(jù)成為我們重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的重點。傳統(tǒng)以太網(wǎng)的設(shè)計只保證連接，不保證可用性，數(shù)據(jù)丟包率高，速率低，但是隨著融合增強型以太網(wǎng)（Converged Enhanced Ethernet，CEE）技術(shù)的出現(xiàn)，通過IEEE 802.1QBB、IEEE 802.1Qaz、IEEE 802.1Qau標準，保證了FC報文被封裝到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀后傳輸時達到無損的傳輸[3]，以太網(wǎng)終于實現(xiàn)了低延遲和不丟包的傳輸。而承載于CEE增加型以太網(wǎng)上的以太網(wǎng)光纖通道（Fibre Channel Over Ethernet，F(xiàn)CoE）技術(shù)，真正將數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和存儲網(wǎng)絡(luò)融合為一體。顧名思義，F(xiàn)CoE協(xié)議就是把FC協(xié)議封裝到以太網(wǎng)中，從此服務(wù)器不再需要同時配置以太網(wǎng)適配器和光纖通道適配器，只需要配置FCoE網(wǎng)卡，即融合網(wǎng)絡(luò)適配器（Converged Network Adapter，CNA），即可同時與客戶端進行IP通信，與存儲進行光纖通信。CNA已得到主流操作系統(tǒng)包括Windows、Linux、Vmware等驅(qū)動支持。圖2為Emulex公司的OneConnect CNA卡在Windows設(shè)備管理器中受支持的情況：

圖2

以太網(wǎng)適配器、光纖通道適配器的統(tǒng)一，帶來數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)扁平化，從三層結(jié)構(gòu)向二層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)我們需要的高效、敏捷和易維護的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖3所示。

圖3

與此同時，F(xiàn)CoE不改變FC協(xié)議堆棧、與現(xiàn)有FC存儲合并的特性，可最大程度保留現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心的前期投資，整合原有數(shù)據(jù)中心存儲網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；而FCoE同時支持BLOCK和FILE存儲的特性，則帶來了更多存儲設(shè)備種類支持。

已有分析表明，相比另一種主流網(wǎng)絡(luò)協(xié)議——以太網(wǎng)SCSI（Internet Small Computer Systems Interface，iSCSI），F(xiàn)CoE的傳輸速度優(yōu)于iSCSI，F(xiàn)CoE的傳輸效率優(yōu)于iSCSI，F(xiàn)CoE性能和可靠性均優(yōu)于iSCSI[4]。

因此，基于CEE、FCoE技術(shù)的融合網(wǎng)絡(luò)，成為福建省測繪地理信息局下一代地理信息數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的選擇。

4 建設(shè)要點

實現(xiàn)新數(shù)據(jù)中心融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，需要兩個基礎(chǔ)：基于萬兆以太網(wǎng)的增強型以太網(wǎng)和CNA。

部署使用FCoE技術(shù)的融合網(wǎng)絡(luò)交換機（Converged Switch），分別通過以太網(wǎng)鏈路和FC鏈路連接至現(xiàn)有的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和存儲網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的融合。原有服務(wù)器通過更換CNA接入融合網(wǎng)絡(luò)交換機，操作系統(tǒng)將CNA識別為兩個適配器（FC HBA和NIC）進行配置管理。通過整合后，接入層布線得到簡化，對原有IT基礎(chǔ)設(shè)施改動較小，同時保留了原數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)與存儲網(wǎng)絡(luò)骨干的獨立性。

對于需要進行海量地理信息數(shù)據(jù)快速分析處理的部門，也可通過配置安裝了CNA的高性能工作站接入融合網(wǎng)絡(luò)，借助高速率的FCoE網(wǎng)絡(luò)和高性能端到端FCoE存儲，可全面提升處理海量地理信息數(shù)據(jù)的可靠性、冗余性和效率。改造后的網(wǎng)絡(luò)拓撲示意圖見圖4。

圖4

從傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)過渡到融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需要一個漸進的過程，先從替換邊緣網(wǎng)絡(luò)交換機、整合現(xiàn)有存儲設(shè)備開始，然后是實現(xiàn)端到端FCoE存儲，最后甚至核心網(wǎng)絡(luò)也過渡至融合網(wǎng)絡(luò)。在保護現(xiàn)有FC基礎(chǔ)設(shè)施投資的基礎(chǔ)上，將逐漸形成一個完善的、經(jīng)濟的以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[5]。此外，過渡過程中帶來的存儲與網(wǎng)絡(luò)融合、存儲與計算融合，將給未來數(shù)據(jù)中心各類業(yè)務(wù)應(yīng)用帶來更多期待。

5 結(jié)論

本文簡要介紹了福建省測繪地理信息局現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)情況，在分析了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的不足后，提出了基于融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)建設(shè)下一代地理信息數(shù)據(jù)中心，通過使用CEE、 FCoE和CNA技術(shù)，使原有以太網(wǎng)LAN、存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)FC SAN形成統(tǒng)一、集成的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，簡化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，降低數(shù)據(jù)中心成本及復(fù)雜性, 滿足地理信息數(shù)據(jù)海量存儲、快速訪問和協(xié)同分析處理對數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的要求。接下來，我們將通過相關(guān)的技術(shù)、設(shè)備測試進一步驗證方案，在福建省測繪地理信息局新數(shù)據(jù)中心的建設(shè)實踐中加以改進。

[1] 袁存忠,鄧淑丹. 地理信息大數(shù)據(jù)探討[J]. 測繪通報,2016(12):105-107.

[2] 信息化測繪體系建設(shè)總體設(shè)計方案[Z].福州:福建省測繪地理信息局,2017.

[3] 段小煥,韓曉紅,修玉嬌. 基于FCoE技術(shù)部署校園數(shù)據(jù)中心[J].自動化與儀器儀表,2014(6):180-182.

[4] 黃志宏,巫莉莉,鐘焯榮,等. 聚合增強型以太網(wǎng)環(huán)境下的數(shù)據(jù)中心建設(shè)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報, 2013,27(8):70-75.

[5] 黃永兵譯.數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)實戰(zhàn)：FCoE部署指南[EB/OL]. [2010-07-08]. http://storage.it168.com/a2010/0707/1074/000001074910.shtml.