云数据中心相关技术

　　数据中心内的实体资源是提供一切信息服务的基础，根据IDC报告，2012年中国数据中心市场投资总规模达到119.3亿美元，2012年至2017年的复合增长率为9.8%。其中面积超过500平方米的中大型数据中心超过4000个，占总数约8%，其投资规模占整体约50%；接近70%的中大型数据中心分布在以北京、上海和广州为核心的发达地区，数据中心的分布和投资都呈现明显的聚集效应。

　　云数据中心是能支撑云服务要求的数据中心，包括场地、供配电、空调暖通、服务器、存储、网络、管理系统、安全等相关设施，具有高安全性、资源池化、弹性、规模化、模块化、可管理性、高能效、高可用性等特征。传统数据中心在向云数据中心转变的过程中面临以下问题。

　　1、功能上需要满足弹性扩展、按需、按量计费、模块化、效率高等要求。

　　2、云计算对数据安全和业务延续性产生了更高的要求，传统数据中心在规模、效率、快速响应以及信息安全方面都面临着巨大的挑战。

　　3、能耗问题已成为各国政府考核数据中心的一个重要指标，传统数据中心平均PUE值在2.5以上，能效降低的改造丞待加强。

　　云计算按需自助服务、宽带网络访问、资源集中、快速伸缩性、可计量的5项基本特征，对云数据中心提出了更高要求。从组成上来看，云数据中心包含以下几个方面。

　　1、建筑、电气、空调、网络等基础设施，这是保证云计算服务商IT环境和服务正常运行而必须建设的各类设施，需要满足模块化、弹性扩展、按需提供和智能化调度。

　　2、各类硬件和软件构成的资源池，可分为计算资源池、存储资源池和网络资源池。其中计算资源池由执行和管理计算任务的软硬件资源组成，包括了云数据中心内的物理主机、管理物理主机硬件资源的系统软件，以及协调多物理主机计算行为的中间件等，可以以池化方式实现虚拟主机的调度与分配；存储资源池包括各类以存储数据为目的的提供的资源，提供一种实用性的存储服务，为众多用户提供一个通过网络访问的共享存储池；网络资源池由网络软硬件、网络协议和网络接入资源构成，主要实现了云数据中心各个组件的互连、用户业务的按需部署和服务。资源池根据用户的需要动态分配和释放资源，数据中心不在需要为每个用户预留峰值资源，因而资源利用率可大大提高。

　　3、能效管理包括能效计量、能效评定、能效管理机制。能效计量实现对云数据中心各种组件的能源和效率进行计量数据采集、监测。能效评定的目的是加强云数据中心的设计、建设及运行管理，提高云数据中心的能效水平，包括评定的原则、指标、基本要求与方法。能效管理机制是在云数据中心运行过程中，为有效进行能效管理而需要建立的对应的组织架构、流程和制度。云数据中心拥有更多用户，改善能源效率相对成本较低，可以将成本分摊到更多的服务器中。

　　4、安全性要求包含安全措施和安全管理两部分内容，主要防御各种来自云数据中心外部和内部的攻击、破坏和意外情况等安全威胁，保障云数据中心不受影响，信息系统可以稳定运行。

　　云用户所使用的云资源可以根据其应用的需要进行调整和动态伸缩，能够有效地满足应用和用户大规模增长的需要，主要得益于云数据中心资源池中资源的整合和重复利用，尤其是低成本、高宽带、高可靠的网络拓扑，以及提高了效能比的绿色节能技术。

　　云数据中心网络设计

　　云计算的多租户模式，要求网络层面必须具有优异的隔离能力。传统的网络技术在多个层面实现了逻辑隔离，如数据链路层的VLAN，PVLAN，VSAN隔离，网络层的VRF，VPN安全隔离，但它们都是基于同一进程的。云数据中心的核心交换机采用虚拟交换机VDC的隔离技术，即一个交换机可以再逻辑上分为多个虚拟交换机。这些虚拟交换机之间是彻底隔离的，它们有各自独立的二层和三层的协议栈和进程，实现了完善的故障隔离。

　　云计算节点的大规模性对数据中心网络的容错能力和可扩展性带来挑战。传统的树形结构网络拓扑存在可靠性低、可扩展性差、网络带宽有限等缺陷，研究学者提出了VL2，Portland，DCell，BCube等新型的网络拓扑结构，这些拓扑在传统的树形结构中加入了类似于mesh的构造，使得节点之间的连通性与容错能力更强，易于负载均衡。同时，这些新型的拓扑结构利用小型交换机便可构建，使得网络建设成本降低，节点更容易扩展。

　　考虑到基于虚拟化的应用，如VMotion，LPAR Mobility等都需要一个二层网络的支撑，云数据中心的网络需要再二层上提供超大规模的网络扩展能力。vPC是一种扩展技术，它通过2个交换机的转发平面，采用Port-Channel实现接入设备同时上连2个汇聚交换机，实现双倍的聚合带宽。采用板卡延伸技术和vPC技术，可以有效扩展网络规模，同时减少生成树对网络的影响。

　　为了支持更大规模的无阻塞的二层网络，并且减少大规模网络中生成树的影响，业界提出了FabricPath这一在二层上实现多路径的协议。FabricPath的指导思想就是保留二层即插即用的好处，以及对于应用编程的简便，同时将转发平面和控制平面分离以实现更大规模的网络扩展和扁平化。FabricPath给每一个交换机一个48位的switch ID作为标识，通过ISIS协议来构建FabricPath的控制平面，形成基于switch ID的路由表。采用FabricPath技术之后，网络里的交换机上会有2张转发表，边缘交换机上会同时有MAC的转发表和基于switch ID的转发表，FabricPath核心的交换机则维护switch ID的转发表。由于在二层网络上采用了ISIS这样基于连接状态的路由协议，FabricPath的网络可以支持16路的等价多路径，将网络的扩展性在vPC的基础上又提高了8倍。FabricPath可以在缩短网络拓扑改变时的收敛时间，提高全网的性能和可靠性。同时FabricPath完全兼容原有的生成树和vPC技术，也就是说在一个典型的二层网络环境下，原有的采用生成树和vPC的部分可以无缝地接入FabricPath网络。在超大规模的虚拟化技术创新地通过基于会话的MAC地址学习机制，有效地减小了边缘交换机MAC地址表的压力。通过FabricPath技术可以构建一个非常扁平高效的超大规模数据中心网络，可以说FabricPath技术彻底改变了现有网络的架构，是今天云数据中心非常重要的技术之一。