淺談數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的三種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換技術(shù)及其發(fā)展

       奈圖爾科技（www.yypiaoyu.cn）整理消息：縱覽數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，以太網(wǎng)技術(shù)一家獨(dú)大，基本已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的代名詞，我們?nèi)粘Ｕ劶暗木W(wǎng)絡(luò)技術(shù)基本都來(lái)源于以太網(wǎng)。而網(wǎng)絡(luò)是數(shù)據(jù)中心的重要組成部分，尤其是云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)，更是要依賴(lài)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)。

       目前應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基本都來(lái)源于以太網(wǎng)。以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用極廣，但又代表網(wǎng)絡(luò)的全部，其在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部屬于局域網(wǎng)的一部分，并且并不止以太網(wǎng)一家，本次主要是淺談一下三種網(wǎng)路數(shù)據(jù)交換技術(shù)，它們?cè)谔囟ǖ木W(wǎng)絡(luò)中是如何得到了實(shí)際部署和應(yīng)用的。

1 ）以太網(wǎng)技術(shù)

       以太網(wǎng)是在上世紀(jì)70年代提出的一種局域網(wǎng)協(xié)議，到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了近五十年，在1983年IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布，后續(xù)不斷擴(kuò)充和完善。以太網(wǎng)技術(shù)能夠得到廣泛普及，和RFC文檔的不斷豐富密切相關(guān)。RFC包含了關(guān)于Internet的幾乎所有重要的文字資料，享有網(wǎng)絡(luò)知識(shí)圣經(jīng)之美譽(yù)。

      RFC是由一系列草案組成的，這些草案都是由廣大的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專(zhuān)家提交的，經(jīng)過(guò)不斷修改和完善，逐漸變成事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。很多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都是參考這些RFC文檔實(shí)現(xiàn)的。即使在網(wǎng)絡(luò)高度發(fā)達(dá)的今天，以太網(wǎng)技術(shù)也仍在不斷進(jìn)步，不斷有新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議涌現(xiàn)，以便更好地適應(yīng)新應(yīng)用業(yè)務(wù)的需求。

       以太網(wǎng)依仗的是報(bào)文交換技術(shù)，交換技術(shù)打破了共享式以太網(wǎng)的5-4-3原則，使得以太網(wǎng)的規(guī)模和覆蓋范圍得以大幅度提高，從而使以太網(wǎng)能夠戰(zhàn)勝眾多的局域網(wǎng)技術(shù)而一枝獨(dú)秀，像二層的STP、VLAN、聚合技術(shù)，三層的OSPF、VRRP、BGP等等幾乎成為了數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)必備的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，統(tǒng)治數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)達(dá)40年的時(shí)間，雖然近些年這些協(xié)議中有部分退出了歷史舞臺(tái)，但并不影響以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)地位，仍有新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)涌現(xiàn)出來(lái)，替代其中的老舊技術(shù)。

       以太網(wǎng)的交換技術(shù)采用的是CSMA/CD介質(zhì)訪問(wèn)控制的方法，在網(wǎng)絡(luò)上不斷偵聽(tīng)鏈路是否空閑，如果沒(méi)有沖突就開(kāi)始發(fā)送報(bào)告，它有存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)和直通式兩種交換模式。其中存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)是交換設(shè)備接收整個(gè)數(shù)據(jù)幀，進(jìn)行CRC校驗(yàn)和數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度檢查，只有檢驗(yàn)通過(guò)的報(bào)文才會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)出去;直通轉(zhuǎn)發(fā)只是讀取一下數(shù)據(jù)幀中的目的MAC部分，然后根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表，把數(shù)據(jù)幀直接轉(zhuǎn)發(fā)出去，直通轉(zhuǎn)發(fā)效率更高，然后可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)包。

       現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備大部分采用的是存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換技術(shù)，以太網(wǎng)技術(shù)也在與時(shí)俱進(jìn)，以太網(wǎng)技術(shù)呈多樣性發(fā)展，滿足數(shù)據(jù)中心中各種應(yīng)用需要。

2 ）IB交換技術(shù)

       IB是InfiniBand的縮寫(xiě)，IB交換技術(shù)是一種面向系統(tǒng)故障容忍性和可擴(kuò)展性的點(diǎn)到點(diǎn)互聯(lián)結(jié)構(gòu)。

       IB技術(shù)不是用于一般網(wǎng)絡(luò)連接，它主要的設(shè)計(jì)目的是針對(duì)服務(wù)器端連接問(wèn)題。IB技術(shù)主要應(yīng)用于服務(wù)器與服務(wù)器之間(比如復(fù)制，分布式工作等)，服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備之間(比如SAN和直接存儲(chǔ)附件)以及服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)之間(比如LAN， WANs和the Internet)的通信。

       與萬(wàn)兆以太網(wǎng)相比，IB技術(shù)在性能上優(yōu)勢(shì)明顯，IB是高性能交換的發(fā)展趨勢(shì)，整個(gè)IB交換系統(tǒng)是由交換機(jī)、計(jì)算節(jié)點(diǎn)、主機(jī)活配器、網(wǎng)絡(luò)管理軟件、IO和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)組成，IB技術(shù)和以太網(wǎng)交換技術(shù)應(yīng)用的位置不同，可以和以太網(wǎng)技術(shù)共存，以太網(wǎng)技術(shù)主要應(yīng)用于高層網(wǎng)絡(luò)通信，而IB技術(shù)用于低層輸入和輸出通信的技術(shù)，IB技術(shù)肩負(fù)著改善服務(wù)器端輸入/輸出性能的使命。

       有關(guān)IB技術(shù)的規(guī)格及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是1999年開(kāi)始起草的，2000年9月26日正式發(fā)布了第一個(gè)正式版本，后來(lái)經(jīng)過(guò)了一陣沉默期，不斷有技術(shù)廠商退出，IB技術(shù)不斷走向暗淡，雖然IB技術(shù)的交換轉(zhuǎn)發(fā)效率更高，但并沒(méi)有贏得市場(chǎng)的認(rèn)同，只是在一些小眾的市場(chǎng)中獲得了一些訂單，比如期貨交易系統(tǒng)、金融系統(tǒng)等，這些地方對(duì)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)非常在意，需要延遲更低了交換設(shè)備，顯然IB技術(shù)迎合了它們的口味。

      現(xiàn)如今，IB技術(shù)基本是Mellanox一家獨(dú)大了，有不少出售IB交換設(shè)備的廠家，基本也都是從Mellanox OEM得到的，比如HP、DELL等，未來(lái)IB的市場(chǎng)空間依然不會(huì)太大，但仍是一種必需的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)存在。

3 ）面向特定計(jì)算平臺(tái)的專(zhuān)用互連交換技術(shù)

       這里有不少新的交換技術(shù)，都是為高速計(jì)算服務(wù)的，通過(guò)提供網(wǎng)絡(luò)處理的速度，從而提升分布式計(jì)算效率，要知道無(wú)論是云計(jì)算，還是大數(shù)據(jù)，都需要網(wǎng)絡(luò)將很多臺(tái)服務(wù)器的計(jì)算資源連接，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分布式計(jì)算，提升計(jì)算速度。比如Torus架構(gòu)，Torus是一種針對(duì)容器集群量身打造的存儲(chǔ)系統(tǒng)，可以為通過(guò)Kubernetes編排和管理的容器集群提供可靠可擴(kuò)展的存儲(chǔ)，當(dāng)然Torus也是一種交換技術(shù)，基于Torus架構(gòu)構(gòu)建的超級(jí)計(jì)算機(jī)互連網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有領(lǐng)先的性能、超強(qiáng)的擴(kuò)展能力、極佳的容錯(cuò)能力，適用于一些中小規(guī)模的高性能計(jì)算系統(tǒng)，是面向超大規(guī)模計(jì)算的更佳網(wǎng)絡(luò)技術(shù)路線。

       就在2020年11月12日-17日舉行的”世界超算大會(huì)(SC17)“上，中科曙光發(fā)布了一款Torus硅元交換機(jī)，就采用了Torus交換架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)192個(gè)100Gb高速網(wǎng)絡(luò)端口轉(zhuǎn)發(fā)，Torus設(shè)備之間可以通過(guò)400Gb專(zhuān)用接口進(jìn)行互連。

       Torus交換技術(shù)在存儲(chǔ)和高速計(jì)算領(lǐng)域有很大應(yīng)用空間，現(xiàn)階段是一種風(fēng)頭正勁的交換技術(shù)。

總結(jié)

      以上內(nèi)容僅僅結(jié)合筆者個(gè)人掌握的咨詢(xún)和經(jīng)驗(yàn)的淺見(jiàn)，本文僅淺談了具有代表性的網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)。隨著通信技術(shù)的迅速發(fā)展而不斷的發(fā)展完善。網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)在其發(fā)展過(guò)程中，對(duì)于不同的業(yè)務(wù)，不斷提出新的解決辦法，直到有新的網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)出現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)也在不斷更新變化，即使是以太網(wǎng)交換也在不斷優(yōu)化和修繕，停下來(lái)就可能被新技術(shù)所淘汰。