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干貨分享:到底什么是葉脊網絡?

2020-03-02 17:10:24 鮮棗課堂 小棗君 編輯:貝兒 瀏覽數:23優樂網

今天這個故事,要從67年前開始說起。1953年,貝爾實驗室有一位名叫Charles Clos的研究員,發表了一篇名為《A Study of Non-blocking Switching Networks》的文章,介紹了一...

今天這個故事,要從67年前開始說起。

1953年,貝爾實驗室有一位名叫Charles Clos的研究員,發表了一篇名為《A Study of Non-blocking Switching Networks》的文章,介紹了一種“用多級設備來實現無阻塞電話交換”的方法。

自從1876年電話被發明之后,電話交換網絡歷經了人工交換機、步進制交換機、縱橫制交換機等多個階段。20世紀50年代,縱橫制交換機處于鼎盛時期。

縱橫交換機的核心,是縱橫連接器。如下圖所示:

縱橫制接線器

縱橫連接器交叉點示意圖

這種交換架構,是一種開關矩陣,每個交點(Crosspoint)都是一個開關。交換機通過控制開關,來完成從輸入到輸出的轉發。

開關矩陣(交點數量=N2)

可以看出,開關矩陣很像一塊布的纖維。所以,交換機的內部架構,被稱為Switch Fabric。Fabric,就是“纖維、布料”的意思。

Fabric這個詞,我相信所有核心網工程師和數通工程師都非常熟悉。“Fabric平面”、“Fabric總線”等概念,經常出現在工作中。

隨著電話用戶數量急劇增加,網絡規模快速擴大,基于crossbar模型的交換機在能力和成本上都無法滿足要求。于是,才有了文章開頭Charles Clos的那篇研究文章。

Charles Clos(右一)

Charles Clos提出的網絡模型,核心思想是:用多個小規模、低成本的單元,構建復雜、大規模的網絡。例如下圖:

圖中的矩形,都是低成本的轉發單元。當輸入和輸出增加時,中間的交叉點并不需要增加很多。

這種模型,就是后來產生深遠影響的CLOS網絡模型。

到了80年代,隨著計算機網絡的興起,開始出現了各種網絡拓撲結構,例如星型、鏈型、環型、樹型。

樹型網絡逐漸成為主流,大家也非常熟悉。

樹型網絡

傳統的樹型網絡,帶寬是逐級收斂的。什么是收斂呢?物理端口帶寬一致,二進一出,不就1:2的收斂了嘛。

2000年之后,互聯網從經濟危機中復蘇,以谷歌和亞馬遜為代表的互聯網巨頭開始崛起。他們開始推行云計算技術,建設大量的數據中心(IDC),甚至超級數據中心。

面對日益龐大的計算規模,傳統樹型網絡肯定是不行的了。于是,一種改進型樹型網絡開始出現,它就是胖樹(Fat-Tree)架構。

胖樹(Fat-Tree)就是一種CLOS網絡架構。

相比于傳統樹型,胖樹(Fat-Tree)更像是真實的樹,越到樹根,枝干越粗。從葉子到樹根,網絡帶寬不收斂。

胖樹架構的基本理念是:使用大量的低性能交換機,構建出大規模的無阻塞網絡。對于任意的通信模式,總有路徑讓他們的通信帶寬達到網卡帶寬。

胖樹架構被引入到數據中心之后,數據中心變成了傳統的三層結構:

接入層:用于連接所有的計算節點。通常以機柜交換機(TOR,Top of Rack,柜頂交換機)的形式存在。

匯聚層:用于接入層的互聯,并作為該匯聚區域二三層的邊界。各種防火墻、負載均衡等業務也部署于此。

核心層:用于匯聚層的的互聯,并實現整個數據中心與外部網絡的三層通信。

在很長的一段時間里,三層網絡結構在數據中心十分盛行。在這種架構中,銅纜布線是主要的布線方式,使用率達到了80%。而光纜,只占了20%。

用著用著,人們發現,傳統三層架構有很多的缺點。

首先,是資源的浪費。

傳統三層結構中,一臺下層交換機會通過兩條鏈路與兩臺上層交換機互連。

由于采用的是STP協議(Spanning Tree Protocol,生成樹協議),實際承載流量的只有一條。其它上行鏈路,是被阻塞的(只用于備份)。這就造成了帶寬的浪費。

其次,是故障域比較大。

STP協議由于其本身的算法,在網絡拓撲發生變更時需要重新收斂,容易發生故障,從而影響整個VLAN的網絡。

第三點,也是最重要的一點——隨著時間推移,數據中心的流量走向發生了巨大變化。

2010年之后,為了提高計算和存儲資源的利用率,所有的數據中心都開始采用虛擬化技術。網絡中開始出現了大量的虛擬機(VM,Virtual Machine)。

與此同時,微服務架構開始流行,很多軟件開始推行功能解耦,單個服務變成了多個服務,部署在不同的虛擬機上。虛擬機之間的流量,大幅增加。

這種平級設備之間的數據流動,我們稱之為“東西向流量”。

相對應的,那種上上下下的垂直數據流動,稱為“南北向流量”。這個很容易理解,“上北下南,左西右東”嘛。

東西向流量,其實也就是一種“內部流量”。這種數據流量的大幅增加,給傳統三層架構帶來了很大的麻煩——因為服務器和服務器之間的通信,需要經過接入交換機、匯聚交換機和核心交換機。

數據流向舉例

這意味著,核心交換機和匯聚交換機的工作壓力不斷增加。要支持大規模的網絡,就必須有性能最好、端口密度最大的匯聚層核心層設備。這樣的設備成本高,價格非常昂貴。

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