云計算中的網(wǎng)絡(luò )新技術(shù)
何寶宏 2011/08/01
自2006年Google公司提出云計算的概念以來(lái)，作為一種新的技術(shù)和商業(yè)模式，其概念眾說(shuō)紛紜。相關(guān)領(lǐng)域的各方機構和專(zhuān)家分別從不同的角度對云計算進(jìn)行了定義，比如有的從應用場(chǎng)景劃分，有的從資源角度劃分等。
其中，2009年9月美國國家標準技術(shù)研究院（NIST）提出的云計算定義，很具有代表性，目前已經(jīng)被業(yè)界廣泛接受：“云計算是一種可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )方便的接入共享資源池，按需獲取計算資源（這些資源包括網(wǎng)絡(luò )、服務(wù)器、存儲、應用、服務(wù)等等）的服務(wù)模型。共享資源池中的資源應該可以通過(guò)較少的管理代價(jià)和簡(jiǎn)單業(yè)務(wù)交互過(guò)程而快速部署和發(fā)布。”另外，NIST在定義之外，還提出了云計算的部署場(chǎng)景、資源類(lèi)型和技術(shù)特點(diǎn)等對此概念的外延。
在NIST的上述定義中，“網(wǎng)絡(luò )”直接出現了兩次，但前后兩次的“網(wǎng)絡(luò )”在云計算中的作用明顯不同。另外，網(wǎng)絡(luò )在云計算中的第三種作用，被NIST隱藏在其中提到的“資源池”中了。而在云計算的概念外延中，“寬帶接入網(wǎng)絡(luò )”也是云計算的5大基本特點(diǎn)之一。
第一次出現在該定義中的“網(wǎng)絡(luò )”，負責將云計算的服務(wù)提供者和用戶(hù)連接起來(lái)，能夠讓云服務(wù)隨處可用。云計算概念外延中的“寬帶接入網(wǎng)絡(luò )”，作用也與此等效。
從應用范圍看，這里的網(wǎng)絡(luò )可以是公眾互聯(lián)網(wǎng)(Internet)、專(zhuān)用IP網(wǎng)或虛擬專(zhuān)用網(wǎng)(Virtual Private Network, VPN)。而接入技術(shù)，可以是有線(xiàn)的(如xDSL，數字環(huán)路線(xiàn))，也可以是無(wú)線(xiàn)的(無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)或3G網(wǎng)絡(luò ))。移動(dòng)云計算的說(shuō)法，也是從這個(gè)角度說(shuō)的。
從用戶(hù)終端看，可以是通用的軟終端(如瀏覽器方式)，也可以是專(zhuān)用的軟終端(如一些云安全應用，需要用戶(hù)下載特定的客戶(hù)端軟件)，有的甚至是與硬件相關(guān)的(如Apple最近推出的iCloud，只能在A(yíng)pple系列產(chǎn)品之間提供用戶(hù)數據的同步服務(wù))。
云計算對這里的“網(wǎng)絡(luò )”提出的新要求，與“未來(lái)網(wǎng)絡(luò )”、“下一代互聯(lián)網(wǎng)”和“下一代網(wǎng)絡(luò )”等，一直所追求的目標基本一致，即需要網(wǎng)絡(luò )提供更高品質(zhì)保證的服務(wù)、更安全可靠的信息傳遞、更節能綠色的服務(wù)和無(wú)處不在的服務(wù)等。
第二次出現在NIST云計算定義中的“網(wǎng)絡(luò )”，自身與計算、存儲等并列成了一種資源，一種能夠廉價(jià)而快速的提供給用戶(hù)的“網(wǎng)絡(luò )”資源。從這個(gè)定義看，IP VPN就是一種典型的云計算服務(wù)：利用MPLS/IPSec/L2TP等隧道技術(shù)，通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )(IP專(zhuān)網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng))為企業(yè)或個(gè)人用戶(hù)，提供具有質(zhì)量保證的、安全可信的網(wǎng)絡(luò )資源出租服務(wù)。
面向云計算的VPN業(yè)務(wù)，是對傳統IP VPN業(yè)務(wù)的發(fā)展，向那些希望從數據中心外包軟件、平臺、計算或存儲的用戶(hù)提供靈活的網(wǎng)絡(luò )資源出租服務(wù)。這些VPN用戶(hù)的典型特點(diǎn)是不希望使用公眾互聯(lián)網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)云計算數據中心，但希望更多地、更精確的共享虛擬機、物理服務(wù)器等云計算數據中心資源，同時(shí)對端到端的資源使用有控制能力。面向云計算的VPN將傳統VPN的終結點(diǎn)，從廣域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )邊緣延伸到了數據中心內的服務(wù)器上甚至虛擬服務(wù)器上，讓數據中心的各種云計算服務(wù)也都成了VPN的一種新屬性。
第三，在該定義所涉及的“資源池”中，還隱含了對“網(wǎng)絡(luò )”的第三種理解，即將各種資源連接起來(lái)形成共享資源池的“網(wǎng)絡(luò )”，主要是指互聯(lián)網(wǎng)數據中心(Internet Data Center, IDC)內部的網(wǎng)絡(luò )。目前IDC內部有三類(lèi)網(wǎng)絡(luò )：連接服務(wù)器的計算機網(wǎng)，底層主要使用的是Infiniband技術(shù)；連接存儲設備的存儲區域網(wǎng)，底層主要使用的是Fiber Channel技術(shù)；IDC與外部連接的通信網(wǎng)，底層主要使用的以太網(wǎng)技術(shù)。
隨著(zhù)云計算將計算、存儲和網(wǎng)絡(luò )都統一當作資源來(lái)對待，IDC中的“三網(wǎng)融合”也必須實(shí)現。云計算數據中心追求統一網(wǎng)絡(luò )架構、統一技術(shù)和統一管理，以簡(jiǎn)化系統，降低復雜性帶來(lái)的安全風(fēng)險和脆弱性。從目前的發(fā)展看，IDC底層的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，必將統一到新型的以太網(wǎng)技術(shù)上。以太網(wǎng)發(fā)源和成功于局域網(wǎng)，在完成了對廣域網(wǎng)、城域網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的入侵后，目前已經(jīng)進(jìn)入了最后一個(gè)領(lǐng)地：IDC(即第一公里)，技術(shù)也從最遲的盡力而為發(fā)展到融合型增強型以太網(wǎng)，從而能夠支持存儲網(wǎng)絡(luò )和服務(wù)器網(wǎng)絡(luò )。
數據中心的“三網(wǎng)融合”剛剛起步，因此如何低成本、大容量和無(wú)阻塞的，將云計算數據中心中的各種資源連接起來(lái)形成資源池，業(yè)界的利益和爭議很大，突出體現在兩個(gè)方面：一是數據中心的大規模組網(wǎng)，二是數據中心的虛擬接入。
在大規模組網(wǎng)方面，IETF主張TRILL(Transparent Interconnection of Lots of Links (trill))協(xié)議，而IEEE主張對STP(Spanning Tree Protocol)擴展。TRILL主要針對以太網(wǎng)STB協(xié)議的缺點(diǎn)，即STB無(wú)法利用交換機之間私有的可用路徑，因此路由不會(huì )總是最短和最快的，而且收斂時(shí)間比較長(cháng)，直接導致未落擴展性不好，以及對鏈路故障比較敏感。IEEE的最短路徑橋接技術(shù)，是對多路徑STP的擴展，也使用的是鏈路狀態(tài)技術(shù)，以讓交換機學(xué)習最短路徑和動(dòng)態(tài)調整拓撲。兩種技術(shù)標準都有產(chǎn)業(yè)界巨頭的強力支持，而其他巨頭要么站隊，要么同時(shí)支持這兩種協(xié)議。值得一提的是，很多企業(yè)對這兩種尚未完成的標準，竟然已經(jīng)做了各自私有的擴展。
在虛擬接入方面，目前也已經(jīng)出現了兩種解決思路，一是在標準以太網(wǎng)幀中增加一段專(zhuān)用的標記(VN-Tag)，用以區分不同的虛擬化網(wǎng)絡(luò )接口(VIF)，以識別特定虛擬服務(wù)器的流量。這種方案需要對服務(wù)器和交換機同時(shí)做修改，需要配合做工作，才能夠識別和處理VIF。另外一種方案是修改生成樹(shù)協(xié)議和重用Q-in-Q，以便解決STP中規定的數據幀不能發(fā)往收到這個(gè)幀的端口的問(wèn)題，因為這在虛擬化環(huán)境中是允許的；在基本的802.1q標記外增加了一層表示不同虛擬機的定義，在VLAN之外能夠通過(guò)Q-in-Q區分不同的虛擬機。
上面所討論的“網(wǎng)絡(luò )”，是云計算中涉及到的IP層和下層技術(shù)，如果將網(wǎng)絡(luò )新技術(shù)的討論范圍向上延伸，那么為云計算提供可靠性服務(wù)的TCP(傳輸控制協(xié)議)技術(shù)，也需要一些重大變革了。面向云計算的TCP至少涉及到三個(gè)問(wèn)題，一個(gè)是動(dòng)搖了互聯(lián)網(wǎng)核心設計理念，第二個(gè)是需要為T(mén)CP已有的通信模式再增加一種新的類(lèi)型，第三個(gè)是TCP中的擁塞避免和控制機制的改進(jìn)。
“端到端透明”是TCP/IP的核心設計理念，它假設網(wǎng)絡(luò )是不可靠(IP協(xié)議)的，因此將所有可靠性的機制(TCP協(xié)議)都放在了終端上。這一理念的基本假設是如果網(wǎng)絡(luò )不可靠，那么通信終端必須是可靠的，否則只能中斷通信服務(wù)了。因此，通信終端不可靠的問(wèn)題，不在傳統TCP/IP協(xié)議的考慮范圍內。但從云計算的角度看，如果云計算的一個(gè)服務(wù)器(通信終端)宕機了，應該允許用戶(hù)將云服務(wù)自動(dòng)切換到另一臺服務(wù)器(從TCP的角度看，指不同IP地址的服務(wù)器)上去，以保證服務(wù)的連續性和可靠性，但TCP協(xié)議顯然做不到。云計算中的服務(wù)可靠性問(wèn)題，是靠應用層還是需要設計新的面向云計算的TCP，目前還處于理論探討階段。
第二，需要在TCP協(xié)議中引入Incast拓撲模型。Incast是many-to-one的一種通信模式，當一個(gè)父服務(wù)器向一組節點(diǎn)(服務(wù)器集群或存儲集群)發(fā)起一個(gè)請求時(shí)，云計算服務(wù)器集群中的節點(diǎn)都會(huì )同時(shí)收到該請求，并且幾乎同時(shí)做出響應，很多節點(diǎn)同時(shí)向一臺機器(父服務(wù)器)發(fā)送TCP數據流，從而產(chǎn)生了一個(gè)“微突發(fā)流”。這種情況主要發(fā)生在云計算數據中心，尤其是那些以向外擴展的方式實(shí)現的分布式存儲和計算應用(如Hadoop, MapReduce, HDFS等)。目前已經(jīng)提出了Data center TCP(DCTCP)的技術(shù)標準方案，來(lái)應對這一問(wèn)題。
第三，越來(lái)越多的人認為，云計算的終端也需要參加云計算的服務(wù)，因為沒(méi)理由只使用云服務(wù)器上的資源，白白浪費掉終端上日益豐富而廉價(jià)的計算和存儲資源。要解決這一問(wèn)題，就涉及到了云終端和云服務(wù)器之間，計算、存儲和通信三種資源的協(xié)商問(wèn)題。雖然傳統TCP協(xié)議也在服務(wù)器和終端之間做通信流量速率的協(xié)商，但存在兩個(gè)明顯的缺點(diǎn)：1）傳統TCP的資源能力協(xié)商是隱式的，靠推測實(shí)現的，不是顯式的；2）沒(méi)有區分計算資源和存儲資源，與網(wǎng)絡(luò )資源在經(jīng)濟方面的差異性。
作者簡(jiǎn)介：
何寶宏：工業(yè)和信息化部電信研究院互聯(lián)網(wǎng)研究領(lǐng)域主席，通信標準研究所互聯(lián)網(wǎng)中心主任。中國通信標準化協(xié)會(huì )IP與多媒體工作委員會(huì )副主席，ITU-T SG16 (多媒體)、ITU-T IPTV-GSI和IETF國內對口組組長(cháng)
中國信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng)
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