面向云计算的数据中心网络体系结构设计

面向云计算的数据中心网络体系结构设计

赵松波

哈尔滨工业大学建筑设计研究院有限公司 (哈尔滨呼兰区 150500)

摘要：云计算的兴起给传统 IT产业带来了很大的冲击。现有的云环境网络体系结构已经不能满足云计算对高性能、低成本、灵活的带宽控制需求。本文主要研究了云环境下数据中心的体系结构，着重讨论了云计算数据中心的高速、高精度网络架构的设计原理和关键技术，本项目的研究成果将为其他行业提供一个更加高效、方便、安全的云数据中心网络。

关键词：设计；云计算；网络；结构；中心；数据；体系

云计算将大量的计算资源聚集在一起，并利用软件技术对其进行自动管理，从而使其能够被快速地调用。云计算是以分布式计算、虚拟化等技术为支持的一种资源共享池。云计算这一理念为因特网带来了新一轮的技术革命。相对于传统数据中心，云计算环境下的网络架构需要兼顾可扩展性、灵活性、性价比、安全性和稳定性。从狭义上讲，“云”是一种信息技术基础结构的传递与应用，它是一种基于互联网的、可扩展的、按需的、可扩展的资源获取的方式；广义的云计算是一种基于网络的、可扩展的、按需的、可扩展的服务提供与利用的模式。这个服务可以是与 IT、软件、网络有关的，也可以是与其它任何一个相关的，它具有超大型、虚拟化、可靠、安全等特点。然而，这些技术上的突破都离不开数据中心提供的强大网络服务。随着云技术的不断创新、发展和普及，互联网行业的发展步伐加快，对数据中心的建设起到了巨大的推动作用。该体系结构能够对海量的数据进行存储，并向用户提供有关的业务信息。

一、网络体系结构设计原则

1.可扩展性

在云计算数据中心网络体系结构设计中，应首先考虑可扩展性。该原则可以在大量应用访问时，迅速扩充数据中心的网络支撑，并有效解决网络拥塞问题。此外，在架构设计上，需要在不中断现有设施的情况下，对现有设施进行扩充，以保证数据中心的正常运作。

2.可靠性

云计算数据中心承载着海量的应用与数据，具有广泛的覆盖面，对网络的可靠性与稳定性提出了极高的要求。云计算可在设备或控制软件出现故障时，利用虚拟化技术进行网络的自动切换，从而保障云数据中心的可靠运行。

3.安全性

网络安全问题是一个越来越受重视的问题。基于云计算的数据中心网络环境复杂，链接多，目标大，极易遭受黑客攻击。为了更好地为云服务，数据中心需要建立其自身的网络安全管理系统，对其进行顶层设计，并对其进行严格的实施。

4.高效性

云计算的数据中心具有极高的日流量，为了保障网络的长期稳定，需要对网络架构进行优化，并采用合适的调度算法与协议。

5.标准化

在机房内部，云数据中心的所有物理设备都在机房内部，这就需要对其进行标准化和模块化处理，并尽量采用统一的通讯协议和高兼容性，以保障云数据中心的快速扩展能力。

二、网络体系结构的设计要点

1.网络体系结构的拓扑设计

传统的数据中心网络架构通常是三层架构，即核心层、汇聚层和接入层。当核心设备出现故障时，将会导致整个网络的瘫痪。在核心层、融合层，由于没有足够的端口，很难对其进行扩充。对于不断增长的网络流量，目前还没有一个行之有效的对策。在这些模型中，Fat树模型被认为是一种有效的模型。具有相似参数、不同品牌的同类型可编程序交换机或不同品牌的可编程交换机，组成一个较大的交换网，以增强网络的健壮性和扩展性。所述网络拓扑进一步包含核心层、聚集层以及接入层，确保每个服务器上的网络端口能够在网络上最大带宽传输数据，避免了传统的数据中心在单一网口链路上出现的“瓶颈”，更适用于各类不同类型的云数据中心，具有更高的网络业务波动性。

2.建立与管理云计算网络的机制

云计算数据中心通常要求单个物理服务器同时支持多个虚拟服务器的运行。在物理服务器无法正常工作的情况下，云计算系统必须有专门的虚拟服务器移植网络。云计算数据中心通常要求对其进行下层网络的控制，并对其进行分区，使其能够为上层建筑和虚拟机提供可靠的网络支撑。云计算数据中心的虚拟网络通常可划分为应用系统网络、迁移网络、数据存储网络、物理互联网络等。实体在线网络是指在物理服务器和网络硬件设备之间建立真实的物理连接。它的主要用途是为外部的云计算应用提供网络支撑。在物理服务器失效的情况下，迁移网络的作用是为虚拟机提供迁移。另外，存在主要用于与储存装置相连的资料储存网络。如果云计算的数据储存是以分散储存的方式进行储存，那么为了取得最好的储存效果，还需要另外一个独立的储存虚拟网络。

软件定义网络，又称 SDN网络。该方法在云计算环境下的数据中心体系结构设计中得到了广泛的应用，其实质就是实现网络虚拟化。软件定义网络以 OpenFlow为核心，通过开放的程序设计，实现了对云计算数据中心网络的柔性控制，从而突破了传统网络的封闭性。软件定义网络从上到下分为应用面、控制面和数据面。一种应用程式是以软体为基础的网络应用程式集合。在这个层次上，使用者无需考虑其基础网络的架构，只需编写程序即可对特定的应用进行部署和修改；其中，控制面是软件定义网络的“大脑”，它负责管理着数据中心内各个节点的信息、状态，同时也负责管理着全局网络的传输。其中，数据面作为整个数据中心网的硬件基础，而另外两个面则是建立在它的基础之上。这些装置用于连接不同的网络协议或者由软件定义的网络。大部分开放流协定被用来当控制器将转送规则传送给下一个转送装置。目前还没有一个完整的、统一的、通用的通讯协定，而网络北行接口则要求用软件来定义。每一个应用程序系统的管理员都能自定义并开启属于自己的网络应用程序。

3.基于网络的云虚拟机迁移体系结构设计

目前的云计算大多采用开放源代码，并在第二层和第三层增加了代理与物理开关的协作机制，通过仿真多个逻辑网络，让代理对可编程开关的控制面进行同步，从而达到对网络带宽的实时调节。由于不同的逻辑网络具有不同的网络协议，因此，在云环境下，所有的应用都可以实现个性化的网络需求。实现了第二层与第三层之间的云计算数据中心应用服务器的快速迁移；利用代理的映射，可以防止应用面与数据面媒介存取控制位址间的关联性。每台虚拟机的代理都有一个自己的位址映射表，这个映射表记录了 IP位址与 MAC位址的对应关系。每台虚拟机上的代理能够进行实时数据的传送，并且能够进行媒体访问控制与 IP的映射。当一个新的虚拟机被加入到云计算的物理服务器上时，每一个代理都要通过一个代理的通讯网络来传递它们的 MAC地址与 IP地址之间的对应关系，同时每一个代理也要更新自己的映射表。在数据中心物理服务器失效的情况下，云控制软件将执行虚拟机向主机的迁移。在进行了移植之后，其代理会将新映射表与其它主代理进行同步，加快了虚拟机的恢复速度。一般情况下，无需应用程序数据移植的任务只需数秒即可完成。

结论：随着云计算技术的广泛应用，数据中心的网络结构也在不断提高，而传统的树形网络架构已经无法适应云服务的发展。该方法能为每个虚拟主机提供多种网络通道，并能根据各虚拟主机的特性，将各虚拟主机的逻辑接口进行合理的划分，从而实现了一个面向应用的个性化网络。此外，本项目还将针对云业务的特点，提出一种基于网络拓扑结构的、基于云业务的、面向云业务的最优带宽配置方法，从而在云业务需求大的情况下，实现对云业务的实时支撑。我们相信，随着科技工作者的不断努力，基于云计算数据中心的网络体系结构将会更加的完善，从而为用户提供更加便捷、高效、稳定和安全的服务。

参考文献

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作者简介：

赵松波，1972年出生，女，汉族，籍贯：哈尔滨呼兰区，工程硕士学历，研究方向：结构工程。