数据中心网络架构-编程知识

数据中心网络架构

参考：
一文读懂胖树
数据中心网络架构VL2详解

数据中心网络拓扑设计目标

总体目标

业务可以部署在任意的服务器上
可以根据需要动态扩展或者缩小服务器规模

网络角度

均衡负载且高性能：服务器之间的性能仅受限于服务器网卡，而不是链路
性能隔离：一个业务的流量不影响其它业务的流量
易于管理：服务器配置简单

传统树形网络拓扑

上层交换机必须要有足够大的带宽来满足下层服务器之间的通信。从叶节点到根节点所需的交换机的性能依次增加。
根节点交换机会成为瓶颈。

Fat-Tree

使用大量低性能的交换机，构建出大规模的无阻塞网络，对于任意的通信模式，总有路径让他们的通信带宽达到服务器网卡带宽。
具体来说，Fat-Tree结构共分为三层：核心层、汇聚层、接入层。
一个k元的Fat-Tree可以归纳为5个特征

每台交换机都有k个端口；
核心层为顶层，一共有(k/2)^2个交换机；
一共有k个pod，每个pod有k台交换机组成。其中汇聚层和接入层各占k/2台交换机；
接入层每个交换机可以容纳k/2台服务器，因此，k元Fat-Tree一共有k个pod，每个pod容纳kk/4个服务器，所有pod共能容纳kk*k/4台服务器；
任意两个pod之间存在k条路径。

连在同一个接入交换机下的服务器处于同一个子网，他们之间的通信走二层报文交换。不同接入交换机下的服务器通信，需要走路由。

Fat-Tree的优点
每一层的累积带宽相同，所有交换机都一样，核心也不需要高带宽端口的交换机。
扩展性高
接入层交换机端口的带宽和服务器网卡的带宽相同

Fat-Tree的缺陷

不支持服务的动态迁移
需要定制化的路由
Fat-Tree 的扩展规模在理论上受限于核心层交换机的端口数目，不利于数据中心的长期发展要求
Fat-Tree 拓扑结构的特点决定了网络不能很好的支持 One-to-All及 All-to-All 网络通信模式，不利于部署 MapReduce、Dryad 等高性能分布式应用；
Fat-Tree 网络中交换机与服务器的比值较大，在一定程度上使得网络设备成本依然很高

VL2

将服务器身份（IP）和位置（拓扑相关）分离
VL2架构中分为服务器、机架交换机ToR(top of rack)、汇聚交换机和中继交换机。每个服务器与一个ToR连接，多个ToR可以连接到一个汇聚交换机，每个汇聚交换机可以通过中继交换机与其他汇聚交换机相连。
n个中继交换机任何一个失效，只会减小1/n的双向带宽，这种设计增加了路径数量和网络的健壮性。
VL2在数据中心内部使用两种地址，其中底层服务器使用AAs(Application Addresses), 上层交换机使用LAs(Locator Addresses)。在这种地址分配方式中，服务器会认为与其他服务器都在同一个子网中，因为他们使用相同的AAs地址前缀。VL2通过在服务器的协议栈中增加shim子层、ToR交换机隧道、目录系统实现寻址。
服务器S与另一服务器D进行通信，在初次通信时，S会发送ARP数据包请求D的MAC地址，此时协议栈中的shim层将会拦截此ARP数据包，即不会发生ARP广播，而是向目录系统发送数据，请求D的LAs地址。目录系统记录AAs-LAs的映射关系（其中AAs为服务器的地址，而LAs为服务器连接的ToR交换机地址）。因此目录服务器收到S的请求后，返回的是D的ToR服务器地址。shim层在收到目录系统的应答后，将数据包封装，其目的地址为D的ToR地址，即LAs地址。然后将数据包发给自己的ToR服务器。该ToR通过汇聚交换机、中继交换机将数据包发送到D的ToR交换机。D的ToR交换机受到数据后，进行解封装，获取数据包的真实目的地址，并将其转发给服务器。
VL2使用VLB实现负载均衡，ECMP实现多路径传输。中继交换机全部使用相同的LAs地址，对于任意交换机与中继交换机都是3跳的距离，不存在远近之分。每个汇聚交换机都可以与服务器通信。数据到达汇聚交换机后，汇聚交换机会随机选择路径进行传输数据，因为中继交换机的地址是相同的，因此只要选择链路状态好的路径传输就可以，以此实现多路径传输。