1. 數據中心的主要目標

數據中心的主要目標是將服務器傳輸至客戶端和其他服務器。為了提供數據服務而建設的，網絡可以精確地定義設備的真實效率。

數據中心網絡特征：

• 可用性：能夠健全地從故障中快速恢復，或者至少對用戶和連接設備掩蓋他們的影響。
• 可擴展性：可以隨著數據中心的發展而發展。
• 靈活性：支持網絡設計和部署的變化，并不產生負面效果
• 高效率：能夠充分調度最大可利用的資源。
• 預測性：顯示一個期望的行為，甚至在故障中和故障后。

2. 以太網協議：過去和現在

IEEE創造了描述物理層的基于3個特性的命名方式：

數字代表Mbps為單位的數據傳輸速率，BASE代表使用基帶信號傳輸，最后的1到2個字母指明所用的介質類型。

例子：10BASE-T 代表以太網系帶傳輸速率為10Mbps,使用雙絞線進行傳輸。

2.1 以太網介質

常見的以太網介質：

• 同軸電纜
• 雙絞線
• 光纖
• 直連雙同軸電纜

一般數據中心最常見的就是雙絞線與光纖。

2.1.1 同軸電纜

作為第一個標準的以太網介質，同軸電纜使用和金屬屏蔽線分層的銅芯線傳輸數據，電纜外層被一個外部塑料罩進一步保護。

同軸線纜兩種不同的的以太網物理層標準：

• 10BASE5（或粗纜以太網）：在IEEE802.3標準中得到批準，可以長達500米（m）,在加入新節點時，電纜依靠“vampire taps”同時，刺入外殼和芯層，提供與節點相連的附加單元接口（Attachment Unit Interface,AUI）.
• 10GBASE2（或粗纜以太網）：只在IEEE802.3a標準中出現，長度可達185米（m）,新的基站可以通過使用BNC T連接器加入介質。

應用場景：

下圖中，說明了同軸電纜線的內部結構和10GBASE5與10GBASE2的一些物理零件。在兩個標準中，在電纜兩端都需要有電阻（終結器）防止信號發射與通信丟失。由于這些標準實行的困難以及20世紀90年代雙絞線的廣泛使用，同軸電纜在現在以太網應用中認為是比較陳舊的技術，雖然如此但是它仍然存在于無線電設備、有線電視分布系統和資深工程師的夢靨中。

2.1.2? 雙絞電纜

雙絞線是在園區網與數據中心網絡布線中最常見的以太網介質，雙絞線電纜源自于電話布線系統。（它的專利擁有者就是電話之父貝爾）

一個雙絞線系統是幾個導體的集合，每一對都構成一個單獨電路。成對的線纜相互纏繞來較少來自外部的電磁干擾（Electromagnetic Interface，EMI），包括臨近雙絞線 電纜的交叉干擾。

兩種類型雙絞電纜：

• 屏蔽雙絞電纜（Shielded Twisted-Pair, STP）:單獨或者多根雙絞線纜加上了屏蔽外殼防止電磁干擾。這種線纜適合長距離或者高速率的連接。
• 非屏蔽雙絞電纜（Unshielded Twisted-Pair, UTP）：不采用屏蔽外殼。價格較低，適合用于短距離和低速連接。

一般一根雙絞線纜通常在交換機和服務器接口采用8線RJ-45的連接器。

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?美國國家標準協會和電信行業協會ANSI/TIA-568標準（分為568A和568B）詳述了雙絞電纜布線，除了提供綜合的結構化布線原則，還對依據抗干擾的性能和弱點規定了雙絞線纜系統的分類。

雙絞線纜分類：

2.1.3 光纖

?光纖是以二氧化硅或塑料為原料的介質，能夠通過光傳遞信息。光纖由纖芯和包裹它的包層組成，由于他們的折射系數不同，光一進入包層就會被反射回纖芯。因此，當光進入光纖后，就被限制在纖芯內，并在包層和纖芯邊界處來回反射，沿著光纖傳播。

主流光纖類型：

• 多模光纖（MultiMode Fiber， MMF）：為短距離通信設計。這種線纜允許多種模式的光沿著光纖傳播。一般纖芯直徑為50μm或者62.5μm，包層為125μm。
• 單模光纖（Single-Mode Fiber，SMF）：為長距離通信設計。這種光纖只允許一種模式的光在光纖中傳播。纖芯直徑在8~10.5μm，包層為125μm。相對于多模光纖，它允許更小的光色散，因而更加昂貴。

下圖為光在MMF與SMF中的傳遞過程：

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?IEEE引用了國際標準化組織和國際電工委員會ISO/IEC 11801光纖說明書當做以太網光通信的參考。此標準依據單位距離的傳輸速率將多模光纖分成4類（OM1、OM2、OM3、OM4）。OM3與OM4是目前在數據中心使用最多的多模光纖，因為在相同的數據速率下他們的傳輸距離更長。

ISO/IEC 11801和24702將單模光纖歸為兩類（OS1和OS2），隨著距離衰減減小，性能則會提高。

下圖為光纖的以太網標準：

注意：

（1）一個光纖系統由一或者多對光纖組成，每個以太網設備收發信號使用不同的光纖。所有的以太網物理層使用一對光纖，除了40GBASE-SR4和100GBASE-SR4使用4對和10對多模光纖。

（2）對于以太網來說，每種光纖的最大距離說明：多模光纖一般用來連接數據中心同一個機房內的設備，而單模光纖則用來連接不同機房，甚至不同的數據中心。

?2.1.4 直連雙同軸電纜

和雙同軸電纜一樣，直連雙同軸電纜與同軸電纜非常相似，只是多了一根銅導線芯。兩根銅芯都被絕緣層保護起來，在一堆銅芯外面在覆蓋金屬導體。和雙絞電纜類似，兩根纖芯相互纏繞來削弱外部干擾。

雙同軸電纜原本有IBM制造出來用于短距離連接，它提供了一種劃算的方式將臨近機架的以太網設備相連。這些電纜通常應用在交換機或服務器的收發機房。

?直連10G以太網雙同軸電纜有增強光學收發器（Enhanced Small Form Factor Pluggable，SFP+）兼容連接器，而40G以太網使用增強4通道SFP收發器（Enhanced Quad Small Form Factor Pluggable, QSFP+）連接器。雙同軸電纜對于這兩個速率具有兩個種類。

• 優化型：加入SFP+或QSFP+的外罩來改善信號質量，通常覆蓋7~10m.
• 無源型：在設備間直接進行傳導，距離為1m、3m或5m。（華為的堆疊線纜）

雙同軸先由于很高的性價比在數據機房很受歡迎。

注意：雙同軸電纜還有一個額外的優勢，其低誤比特率（10E18）比IEEE10G以太網要求的誤比特率（10E12）小很多。

?2.1.5 以太網數據速率時間軸

上圖中，以Mbit/s為單位展示了以太網速率在不同介質（同軸電纜，雙絞線纜，光纖，雙軸同軸電纜）上的發展。

從上圖中可以觀察得出以下趨勢：

• 雙絞線數據速率大體增長了10倍，但在10Gbps后沒能保持這種增長速度。
• 光纖發展略快，是第一個支持100Mbps的介質，也是所有介質中壽命最長的。
• 雙同軸線纜成為了10Gbit/s連接的一種可選介質。

總結：由于光收發器的費用較高，光纖早期應用在交換機與交換機之間需要高傳輸速率的需求的場合。而服務器接入這樣的大量連接需要依靠成本升級到更快的傳輸速率，因而雙絞線和雙同軸線對于這些連接時最受歡迎的。

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3. 數據中心的網絡拓撲

3.1 傳統的三層結構

如上圖所示，20世紀90年代，園區網設計的三層結構（核心層、匯聚層、接入層），慢慢應用到數據中心。

但是園區的桌面與數據中心的服務器應用三層結構還是有些區別：

• 故障影響：園區交換機故障意味著一些用戶將無法使用它們的應用；而數據中心網絡故障意味著包括遠程用戶在內的所有用戶的應用無法使用。
• 主機連通性：一個普通的用戶和桌面只有一個接入園區網的連接，而數據中心的每個服務器通常至少有兩個以上的以太網連接。
• 通信方向：園區網的主要通信集中在接入和匯聚通往可達服務器的上行鏈路（南北流量居多，滿足上網要求）。這種情況不可能生在數據中心網絡中，因為服務器之間通信是均衡的。（不僅僅是南北流量，東西流量擴展要求日益遞增）

3.2 數據中心的網絡分層

起源于互聯網服務提供商（Internet Service Providers, ISP）經驗的三層模型核心層、匯聚層、接入層，在數據中心將會被大二層（核心層、接入層）的網絡新結構所取代。這里還是介紹傳統的三層模型。

網絡分層的優勢：

• 模塊化
• 靈活性
• 恢復能力

核心層：

在數據中心中，為數據中心進出口通信提供強大的轉發能力，利用專屬的路由特性，在密集的數據中心網絡中，提供一個可升級，靈活，能復原的結構，以便為更多匯聚層交換機建立連接。

匯聚層：

原本用來設計作為IP子網的匯聚點，通常作為默認網關和多對接入交換機間的通信鏈路，因此匯聚層也被認為是接入有狀態網絡服務的中心點。

例如：防火墻和負載均衡器的接入部署

注意：有狀態的網絡設備根據有如TCP這樣的協議確定網絡狀態作為發送決定，相反，無狀態設備靜靜根據一個包或者幀內部信息處理他們。

接入層：

提供高密度的端口讓服務器或主機接入，簡化和改善管理。接入交換機通常致力于同一子網服務器直接的通訊，改善了服務器間任何通信交換類型（單播，廣播和組播）

3.3 數據中心網絡的設計因素

3.3.1 超額率比值

超額率：是指每個用戶分配到的資源和每個用戶潛在能夠消耗的最大資源比值。一般重點考慮交換機上下行鏈路線纜帶寬比值。

例子：一個接入層交換機32個10G以太網口，和8個10G上行以太網口，那么它的對應上行服務器流量為4:1的超額率。

3.3.2 應用彈性

它要求應用和網絡現有機制的完美和諧。

例如：

• 服務器冗余以太網接口應該連接到不通的接入交換機上，并防止“黑洞”（一個活躍的服務器連接在一個孤立的網絡設備上）產生；
• 網絡與應用服務器相比應該有更快的反應速度。

3.3.3 熟知不同因素的優先級

數據中心設計者要熟悉不同情況下不同因素的優先級，因為對一個因素有利會潛在的對另一個有害。

例如：傳統交換機使用的4種冗余設計

上圖拓撲設計方案中：分為環狀和無環拓撲結構，取決于阻止連接損失的機制，例如：生成樹協議（Spanning Tree Protocol, STP）

環狀拓撲特點：

• 由于實用性和靈活性，環狀拓撲無疑是數據中心部署最為廣泛。（優點）
• 接入匯聚層的超額率保持不變，防止上行鏈路或匯聚交換機出現單點故障，提供冗余能力。（優點）
• 增加了交換機接口的密度，同時STP的冗余機制，導致線纜帶寬的浪費。（缺點）

無環U型特點：

• 不成環，沒有鏈路被阻斷。最優的鏈路利用率。但任然建議交換機開啟STP功能。（優點）
• 每個二層需要一對交換機，不然易成環路。（缺點）
• 易出現單點故障，無冗余。（缺點）
• 無環反向U型在一個2層范圍內允許加入超過兩臺接入交換機，但是此拓撲的上行鏈路和匯聚層故障很復雜，因為服務器流量會產生“黑洞”。（缺點）

3.4 物理層網絡布線

3.4.1?兩種流行的數據中心針對機架的布線方式

頂架式（Top-of-Rack，ToR）

設計基于內機架式服務器和小交換機之間的布線

• 減少布線
• 優化網絡設備的使用空間

列端式（End-of-Row，EoR）

設計基于服務器直接的機架間布線和高密度成列安裝的交換機作為服務器機架。

• 減少網絡設備數量
• 優化設備端口利用率
• 大量的線路存放在活動地板下或者電纜槽內有大量的水平線纜，不易于通風，不易于線纜梳理。

哪個更好？看情況，實際上，最好的設計方案選擇是根據每個機架的服務器數量、連接速率、預算和運行復雜度而定。一般目前常見的為ToR布線。

3.4.2 ANSI/TIA-942標準

此標準在2005年有電信行業協會的TR-42工程委員會發表，EIA/TIA-942電信數據中心基礎設施標準為數據中心的設計和安裝提供了非常有用的指導方針。

空間和結構化布線元素

• 機房（Computer room）：一個主要功能是容納數據處理設備的建筑空間。
• 接入室（Entrance room）：提供數據中心結構化布線和外部建筑布線（服務提供商或者客戶所有）之間的接口，位于機房外面以防止物理層安全受到破壞。
• 主要分布區（Main Distribution Area，MDA）：在機房內部，是結構化布線的核心點。這里可以自由連接到數據中心的其他位置，網絡設備通常位于此區域。
• 水平分布區（Horizontal Distribution Area, HDA）:活躍設備延伸線纜的分布點，同樣在機房內部。小型的數據中心的主要分布區可以支撐網絡，可以不需要水平區。
• 設備分布區（Equipment Distribution Area, EDA）：一個用來放置活躍設備的空間，設備包括計算機系統和通信設備。在設備分布區，來自水平分布區的水平線纜末端接上插線面板，服務器機架被間隔排布出冷通道和熱通道，以方便溫度管理。
• 區域分布區（Zone Distribution Area， ZDA）：一個位于水平分布區和設備分布區直接的可選的互連地點，方便重配置，是系統具有靈活性。
• 交叉連接（Cross-connect）：是一種設備，是線纜終端能夠和布線系統、子系統、跳線和硬盤端口連接跳線建立連接。
• 骨干線纜（Backbone cabling）：在數據中心結構化布線系統中提供主要分布區、水平分布區和接入室之間的連接。骨干線纜要求能在一個或者幾個計劃階段內滿足數據中心的服務需求，在不安裝額外線纜的情況下，適應服務器需求的增長和改變。

4. 網絡虛擬化的優點

4.1 網絡邏輯分區

在統一數據中心網絡中，資源（如：端口和傳輸帶寬）可以實現最大化利用，網絡分區有很強的推動力。

例如：不通的安全區域和多租戶技術的實現。

常見技術：VLAN、VRF、負載均衡器、VDC

4.2 網絡簡化和流量負載平衡

由于生成樹鏈路阻塞問題，導致鏈路的利用的浪費。為了提高網絡資源的利用率，生成樹欺騙技術得以產生。

網絡虛擬化創造的將物理連接和設備轉化成更為簡單的邏輯實體的可能性，促進了資源的利用并減少了設計的復雜性。

例如：

• 以太通道（EtherChannel）
• 虛擬端口通道（virtual PortChannel，vPC）
• 2層FabricPath多路徑

4.3 管理整合和布線優化

陣列擴展器（Fabric Extender，FEX）是一種依靠父系交換機工作的網絡設備。它們是一種能夠利用架頂式（ToR）和列端式（EoR）物理層布線的優點的安裝在機架上的虛擬父系交換機上的一塊遠程線卡。

4.4 網絡擴展

網絡虛擬化同樣也能夠被用于通過多協議標簽交換（Multiprotocol Lable Switching, MPLS）或IP網絡連接第二層網絡（二層擴展技術）

例如：

• MPLS上的以太網服務（Ethernet over MPLS，EoMPLS）
• 虛擬專用局域網服務（Virtual Private LAN Service，VPLS）
• 層疊傳輸虛擬化（Overlay Transport Virtualization，OTV）

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的2.数据中心网络演进的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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