云计算数据中心中的关键问题和核心技术

面向云计算的数据中心发展正是如火如荼。
在实践应用中，各个企业和云服务提供商都碰到了若干类似的问题，简单总结一下。
1 带宽保证
保证数据中心中点对点的无阻塞大容量的带宽。特别是横向流量。传统的以太网采用STP技术，极大限制了带宽资源的供应。这方面目前的解决方案，主要是融合3层的多路经技术，包括Cisco主推的TRILL标准（FabricPath核心技术），和IEEE主推的802.1aq标准（SPB）。
2 低延迟
保证任意两点之间低延迟的互通。这往往跟高带宽矛盾，因为如果采用了3层路由来实现多路经转发，自然会加大网包转发处理的复杂度（包括加减包头，计算等），造成延迟增大。因此，要在保证高带宽的前提下，还能实现低延迟，需要通盘的设计考虑。这方面的技术方案主要有Juniper主推的QFabric，号称实现点到点只有1跳转发，延迟低于5us。
3 虚拟化
包括计算资源虚拟化，存储资源虚拟化和网络资源虚拟化。前两者有大量的成熟方案，包括VMware、EMC和IBM等。对于网络资源虚拟化，目前还处在探讨和摸索阶段。主要有两个问题，一个是如何让vm接入网络，即让网络感知到vm的存在。这方面的工作包括Cisco Nexus 1000v中采用的VN-link技术，Vmware的Vcenter，Xen的Xenserver等。基本都是各家处于自身考虑，设计的私有机制。
另一个问题是如何实现网络在各层，特别是2层的虚拟化。传统Vlan仅仅支持最多4094个segment，而且扩展性差。今年8月份由Vmware和Cisco等提出的VXLAN草案，采用在3层以上搭建overley2层网络的方案，支持2^24个segment，在某种程度上能缓解vlan的缺陷。
4 管理性
数据中心中的资源复杂，特别网络架构与传统的网络不同。在引入大量的虚拟化和其他机制后，通过网络资源来协调整合计算和存储资源，对外统一提供虚拟的云资源，其复杂度要远远超越普通企业网的管理复杂度。无法管理，则意味着云计算只能是纸上谈。这方面包括Xenserver、Openstack都在做一些有意的尝试，但目前还远未到成熟可用的时候。

也谈谈TRILL

TRILL最近很火。
最早在09年的时候，就有rfc提出来，要设计一个新的协议，改进现有STP的种种问题。11年小半年时间更是连发了5个rfc出来讨论TRILL的设计和应用（6325-6327，6361，6439）。

可能有对网络不太熟悉的同学，先来介绍下STP。
STP是Spanning Tree Protocol的缩写。我们知道对于现在的局域网（LAN）来说，交换机是实现多个节点互相通信的基础。而想要连接多个LAN，就需要交换机之间能有一定的机制来互通。如果交换机拓扑中含有环，那么就可能会出现循环转发，整个网络也就容易挂掉。因此，被称为“互联网之母”的Radia Perlman大妈就跳出来设计了个STP，还因此开心的写了一首小诗。

I think that I shall never see
A graph more lovely than a tree.

A tree whose crucial property
Is loop-free connectivity.

A tree that must be sure to span
So packets can reach every LAN.

First, the root must be selected.
By ID, it is elected.

Least-cost paths from root are traced.
In the tree, these paths are placed.

A mesh is made by folks like me,
Then bridges find a spanning tree.

其实STP的理念十分简单，拓扑中有环存在不是么？我禁掉其中的某些链路，自然就没有环了（当然要具体实现还需要很多的机制和协议）。STP因为其简洁有效，成为了事实上二层网络互通的标准。当然，凡事都会有利有弊，STP的问题主要有两点，一个是仅仅用了某些链路，很可能降低网络的性能；另一个是一旦出现链路故障，重新计算STP收敛不够快。

也正是为了解决这两个问题，Radia Perlman和其他的一些专家一同又提出了TRILL。
TRILL的设计理念也十分明确，把二层和三层各自的优点都结合起来，设计一个新的2.5层的协议出来。总的想法是在每个二层网络内部用传统的二层，而在各个交换机之间采用类似三层路由的机制，来实现多路径和快速收敛等。

TRILL的提出，为实现大规模的二层网络和保持高性能的互通带来了曙光。而现代云计算数据中心的发展，更是在这两方面提出了很强的需求，这也是为何TRILL在近些年讨论的越来越多，并被Cisco等支持，还作为其面向下一代数据中心核心网络技术FabricPath中的核心技术。

话说在TRILL的rfc6325中，Radia大妈又写了一首小诗。

I hope that we shall one day see
A graph more lovely than a tree.

A graph to boost efficiency
While still configuration-free.

A network where RBridges can
Route packets to their target LAN.

The paths they find, to our elation,
Are least cost paths to destination!

With packet hop counts we now see,
The network need not be loop-free!

RBridges work transparently,
Without a common spanning tree.

让人不得不赞叹，大妈真是个人才（随便搜搜大妈的简历，就知道大妈功力之深厚）。

附：Radia大妈照

关于SDN和未来云计算数据中心的报告

昨天，在首届SDN和数据中心技术研讨会上，我做了一个报告，给与会的各位专家介绍SDN相关技术和其在新一代数据中心中的应用，以及我对未来云计算发展方向的展望。
在报告中主要提出两个核心的理念。
一是关于信息技术从性能阶段往智能阶段的转变。
人类文明的发展，基础是对各种新技术的应用。而对任何新技术的应用大体可以分为两个阶段。第一阶段是简单依赖新技术变革带来的生产力飞跃，是一种粗放式的增长模式，可以称为性能主导阶段。而这种粗放式的模式必定会碰到瓶颈。一方面是对技术自身潜力的挖掘总有限制，在性能主导阶段，性能提升的代价必然是越来越大的，到了后面，这种代价可能已经超越了性能提升本身带来的收益。再一方面是人对新技术的需求，是越来越多的，简单的性能增长并不能满足所有需求。因此，过了性能主导阶段，必然会寻求一种更为精细化的阶段，可以称为智能主导阶段。以印刷术为例，开始是整版印刷，工人不断提升刻板速度，改进版面质量，但很快就变得难以继续提升了。这个时候就需要向智能化方向发展——活字印刷也就出现了。往往，在智能化阶段，孕育着更新一代技术的种子。此前的时期石器时代到电气时代，无不如此。而现在的信息时代，实际上已经到了性能主导阶段的后期，社会对智能化的需求也来越强烈。从生活中，我们也可以慢慢体会到这点。nokia破落，iphone大卖；汇编绝迹，C#盛行；pc收缩，平板兴起；甚至手动档已经越来越少见，自动档越来越流行，都证明了这点。这些年云计算的流行、社交网络、移动应用的兴起，也都是因为这个原因。所以，我预言，智能相关技术，特别是人工智能，春天已经到来了。而SDN的相关技术，恰好是智能化网络的一个很好的例子。
另外一个观点就是对于未来云计算数据中心的发展方向。
这个问题我也多次想过，这次算是有了个比较清晰的想法。我认为，未来的数据中心至少要具备两个基本特征。一是必须是性能（带宽、延迟）与智能（绿色、管理、配置、可靠、安全）需求都要能满足。二是必须是实现真正的完全虚拟化。当前的数据中心，其实并没有实现完全的虚拟化，无论提供的是iaas，paas，还是saas，都是针对用户的需求进行了深度的定制。一个提供saas的datacenter，很难同时服务需要其他xaas的用户。这个问题出在哪里？就出现在网络上，因为datacenter中的三个基本元素，计算、存储、网络，前两者的虚拟化都已经实现，唯独网络的虚拟化，最近几年才开始相关研究。未来的datacenter中，所有的资源，不论是什么类型，都应该统一的虚拟化，为“虚资源”。用户需要什么样的服务，就用这些“虚资源”组织起来，满足成能满足用户需求的形式。
以上两点想法，不知道是否是由我最早提出来的，但我坚信，都会被逐渐证实。