超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)無論是在架構(gòu)、技術(shù)還是運(yùn)維上都發(fā)生了巨大的變革，有效地支持了互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算過去10年的繁榮。展望未來，在人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云原生等技術(shù)和業(yè)務(wù)的驅(qū)動(dòng)下，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)該向何處發(fā)展是專業(yè)人士們必須考慮和面對的問題。該文結(jié)合行業(yè)發(fā)展測未來超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢如下：
一 網(wǎng)絡(luò)帶寬持續(xù)演進(jìn)，芯片是核心競爭力
在人工智能、大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)，以及高清視頻、AR、VR等技術(shù)和業(yè)務(wù)的驅(qū)動(dòng)下數(shù)據(jù)中心對網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求將繼續(xù)呈加速發(fā)展的趨勢。數(shù)據(jù)中心交換機(jī)芯片在未來5年依然會(huì)處在加速迭代之中，芯片技術(shù)的摩爾定律會(huì)依舊有效，大概每隔2年交換機(jī)芯片的容量就會(huì)增長一倍。SerDe技術(shù)也在從10Gbit/s、25Gbit/s向50Gbit/s、100Gbit/s快速迭代，相應(yīng)的光模塊技術(shù)也逐漸從25Gbit/s、50Gbit/s、100Gbit/s向400Gbit/s、800Gbit/s和Tbit/s級發(fā)展。交換機(jī)芯片技術(shù)和光芯片技術(shù)的持續(xù)迭代將有力保障數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)對帶寬的增長需求，而網(wǎng)絡(luò)帶寬的演進(jìn)必然會(huì)牽引計(jì)算存儲(chǔ)架構(gòu)的演進(jìn)。
除了容量持續(xù)演進(jìn)，芯片具備可編程能力將逐漸成為主流，對網(wǎng)絡(luò)可視化支持的力度將會(huì)成為芯片的核心競爭力之一。
二 硬件白盒化、OS開源、軟件自主掌控
SDN理念帶來設(shè)備解耦生態(tài)逐漸成熟，芯片商業(yè)化、硬件白盒化和定制化、軟件自主掌控將進(jìn)一步普及。自主研發(fā)交換機(jī)設(shè)備不僅是為了節(jié)省成本，更是通過自主把控軟件、定制化硬件，做到軟硬件的一體化，這不僅可以快速迭代網(wǎng)絡(luò)功能來支持業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，更能做到對網(wǎng)絡(luò)的靈活高效監(jiān)控，并最終把網(wǎng)絡(luò)變得更穩(wěn)定和智能，讓網(wǎng)絡(luò)真正成為核心競爭力。
目前，基于開源的開放生態(tài)已經(jīng)逐漸成熟，交換機(jī)操作系統(tǒng)可以依賴生態(tài)的力量，而互聯(lián)網(wǎng)公司可以專注在上層的軟件和運(yùn)營管理系統(tǒng)。自主研發(fā)交換機(jī)設(shè)備將不再僅僅局限于幾個(gè)少數(shù)超大規(guī)模的互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算公司，越來越多的公司將加入這一陣營。
在當(dāng)下的開放生態(tài)環(huán)境下，開源操作系統(tǒng)更加有利于芯片、硬件和軟件的標(biāo)準(zhǔn)化和兼容性，有利于生態(tài)的良性發(fā)展，開源操作系統(tǒng)將會(huì)成為互聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算公司的首選。值得一提的是，由微軟公司倡導(dǎo)，阿里巴巴作為主力成員推動(dòng)的開源SONiC系統(tǒng)得到了業(yè)界的廣泛關(guān)注和支持。
三 軟硬件一體化的高性能網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā):網(wǎng)卡硬件卸載和可編程芯片
眾所周知，CPU的摩爾定律已入暮年，而云服務(wù)和機(jī)器學(xué)習(xí)規(guī)模卻在呈指數(shù)級增長。虛擬交換機(jī)是云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)不可分割的一部分，但是基于服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)處理方案也并非一帆風(fēng)順，40GbE甚至100GbE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的快速采用、服務(wù)器外部吞吐量大幅提升、網(wǎng)絡(luò)安全等附加功能的堆疊、大量虛擬機(jī)的增加，導(dǎo)致CPU資源被大量用于內(nèi)外部網(wǎng)絡(luò)和附加功能，使數(shù)據(jù)中心陷入了無休止的“機(jī)海戰(zhàn)術(shù)”，從而帶來了部署規(guī)模、應(yīng)用效率、CapEx等多方面的挑戰(zhàn)。如何提升基于傳統(tǒng)x86服務(wù)器的虛擬網(wǎng)絡(luò)性能將變得至關(guān)重要。面對單服務(wù)器內(nèi)部的轉(zhuǎn)發(fā)能力的性能瓶頸，業(yè)界諸多的供應(yīng)商試圖在FPGA、多核處理器及傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)處理器上開發(fā)智能網(wǎng)卡(SmartNIC)解決方案。通俗地說，智能網(wǎng)卡是把服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)功能，包括vSwitch、vRouter等網(wǎng)絡(luò)組件從x86卸載到智能網(wǎng)卡上，實(shí)現(xiàn)對x86服務(wù)器處理器資源的釋放，提供更高性能的網(wǎng)絡(luò)處理性能。
SDN發(fā)展的第一波浪潮打破了管理平面、控制平面和數(shù)據(jù)平面的封閉集成，突出了軟件的作用，給網(wǎng)絡(luò)行業(yè)帶來了變革。但隨著SDN應(yīng)用的進(jìn)一步普及，純軟件的限制愈發(fā)明顯，如何更簡單有效地控制底層硬件和芯片層變得愈發(fā)重要。P4(Programming Protocol-Independent Packet Processors)正是在這一背景下應(yīng)運(yùn)而生的。對底層芯片開放的可編程的能力將會(huì)掀起下一波的SDN行業(yè)發(fā)展潮流，在軟硬件一體化、網(wǎng)絡(luò)可視化方面必然會(huì)再產(chǎn)生一次變革。
四 網(wǎng)絡(luò)融合成為一體化數(shù)據(jù)中心的 I/O:低延時(shí)網(wǎng)絡(luò)
網(wǎng)絡(luò)的功能不再是僅僅提供連接，網(wǎng)絡(luò)會(huì)變成計(jì)算機(jī)I/O的延伸。超高帶寬和超低延時(shí)的網(wǎng)絡(luò)正在將本地存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)的界限變得模糊，為計(jì)算存儲(chǔ)分離和資源池化的數(shù)據(jù)中心一體化架構(gòu)奠定基礎(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)是數(shù)據(jù)中心一體化中的核心組件，成為下一代高性能計(jì)算和存儲(chǔ)的強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)力。如何降低網(wǎng)絡(luò)延時(shí)會(huì)是一個(gè)長期的過程，RDMA及同類技術(shù)將會(huì)逐漸成規(guī)模部署，在應(yīng)用遇到瓶頸時(shí)，將會(huì)催生革命性的新技術(shù)或架構(gòu)變革。
隨著人工智能、大數(shù)據(jù)的逐漸普及，數(shù)據(jù)中心對計(jì)算力的需求越來越高，超高密度異構(gòu)計(jì)算集群將會(huì)成為基礎(chǔ)設(shè)施的核心競爭力。如何把計(jì)算芯片和高效存儲(chǔ)介質(zhì)高效地互聯(lián)在一起，并能夠大規(guī)模擴(kuò)展是需要解決的問題。數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)將不僅僅局限于交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)，將進(jìn)一步延伸到主機(jī)內(nèi)部，把主機(jī)內(nèi)各種計(jì)算芯片和存儲(chǔ)介質(zhì)部件高性能地互聯(lián)在一起，并和交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)融合為一體。傳統(tǒng)的以CPU為中心的服務(wù)器架構(gòu)將會(huì)逐漸演變?yōu)橐詳?shù)據(jù)互聯(lián)1/0為中心的架構(gòu)。網(wǎng)卡將突破傳統(tǒng)IO功能，充當(dāng)硬件虛擬化載體，以及交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和主機(jī)內(nèi)組件互聯(lián)的橋梁。基于硬件的高速網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)、網(wǎng)絡(luò)QoS、網(wǎng)絡(luò)可視化等功能將被拓展到主機(jī)網(wǎng)卡上。
五 網(wǎng)絡(luò)可視化技術(shù)，基于大數(shù)據(jù)和人工智能的智能化運(yùn)維
自動(dòng)駕駛已經(jīng)變成可能，大規(guī)模應(yīng)用只是一個(gè)時(shí)間問題。大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維的自動(dòng)化也必然是業(yè)界的趨勢，要達(dá)到自動(dòng)駕駛或自動(dòng)化運(yùn)維都需要兩個(gè)共同的條件:一是有足夠有效的數(shù)據(jù)，二是要有對數(shù)據(jù)的智能分析和處理能力。有效數(shù)據(jù)的獲取必然要通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，交換機(jī)芯片的可視化功能將起著至關(guān)重要的作用。
傳統(tǒng)上我們對交換機(jī)設(shè)備的監(jiān)控和數(shù)據(jù)的獲取顆粒度很粗，一般停留在設(shè)備級別的運(yùn)行狀態(tài)，包括CPU、Memory、端口、各種表項(xiàng)的監(jiān)控等;對這些信息的獲取也只是SNMP、CLI等原始方式，獲取數(shù)據(jù)的效率很低。這些都無法滿足自動(dòng)化運(yùn)維的需求。新型的交換機(jī)芯片在網(wǎng)絡(luò)可視化方面已經(jīng)邁出了堅(jiān)實(shí)可喜的一步，目前在市場上售賣的部分交換機(jī)芯片已經(jīng)能夠提供更豐富的信息，比如支持INT(In-bandNetwork Telemetry)功能，可以獲取特定用戶流的物理路徑、延時(shí)、交換機(jī)緩存水位等信息;MoD(Mirror on Drop)功能可以截取由于交換機(jī)管道或者緩存擁塞而導(dǎo)致的丟包信息。這些豐富的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通過人工智能分析系統(tǒng)將會(huì)把網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維提升到前所未有的智能化高度一一自驅(qū)式網(wǎng)絡(luò)(Self-driving Networks)。除了信息內(nèi)容，交換機(jī)獲取信息的方式和效率也有大幅度的提升，流遙測(Streaming Telemetry)功能可以通過軟件或者直接通過芯片把監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)高效地傳到網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)中，對于關(guān)鍵信息的監(jiān)控顆粒度可以精確到微秒級。
六 光互聯(lián)趨勢
在10GbE速率之前，服務(wù)器與交換機(jī)比較經(jīng)濟(jì)的互聯(lián)方式是RJ45雙絞線互聯(lián)隨著速率的演進(jìn)，對傳輸信號(hào)衰減要求愈發(fā)嚴(yán)苛，到25GbE 時(shí)代已經(jīng)全部統(tǒng)一到光纖或銅纜互聯(lián)，到了下一代50GbE 或100GbE，銅纜的應(yīng)用距離、范圍將進(jìn)一步被壓縮;再往后演進(jìn)，不僅設(shè)備間互聯(lián)銅纜將難以勝任，甚至設(shè)備內(nèi)部，從芯片到端口.都不得不采用光互聯(lián)。光互聯(lián)必將越來越普遍，光互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)成為影響網(wǎng)絡(luò)速率演進(jìn)的重要因素之一。目前，數(shù)據(jù)中心內(nèi)設(shè)備間互聯(lián)模塊及線纜成本已經(jīng)遠(yuǎn)高于。設(shè)備本身，如何控制、優(yōu)化光互聯(lián)成本對往后數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)成本影響巨大。
七 綠色網(wǎng)絡(luò)
隨著人工智能、大數(shù)據(jù)的逐漸普及，數(shù)據(jù)中心對計(jì)算力的需求越來越高，超高密度異構(gòu)計(jì)算集群將會(huì)成為基礎(chǔ)設(shè)施的核心競爭力。計(jì)算力的大幅提升必然帶來對功耗需求的大幅上升，功耗和制冷是必須要解決的問題，是保障超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵一環(huán)。
作者：CDCC
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