云计算时代，数据中心架构三层到大二层的演变

为了满足自身的业务需求，保证数据的稳定和可靠。无论是互联网还是传统行业，都会有自己或大或小的数据中心，甚至如阿里云和亚马逊这种专门以出租计算资源的云计算公司，更是在全世界各地建立了不等的数据中心。

尽管到到如今的云计算时代，将数据中心自身的资源虚拟化以达到更高的利用率，有一点肯定，物理资源决定了虚拟资源的天花板。

物理网络的特性，例如带宽，MTU，延时等，最终直接或者间接决定了虚拟虚拟网络的特性。对网络性能进行优化时，有些物理网络特性可以通过升级设备或线路来提升，但是有些与网络架构有关。升级或者改动网络架构带来的风险和成本是巨大的，因此在架设数据中心初始，网络架构的选择和设计尤其需要谨慎。

那么，从过去的传统数据中心，到如今的云计算时代数据中心，中间经历了怎样的变迁呢?

2.传统数据中心网络架构

在传统的大型数据中心，网络通常是三层结构。Cisco称之为：分级的互连网络模型(hierarchical inter-networking model)。

三层网络结构是采用层次化架构的三层网络，有三个层次：核心层(网络的高速交换主干)、汇聚层(提供基于策略的连接)、接入层(将工作站接入网络)，这个模型如下：

汇聚交换机和接入交换机之间通常使用STP(Spanning Tree Protocol，生成树协议)。STP使得对于一个VLAN网络只有一个汇聚层交换机可用，其他的汇聚层交换机在出现故障时才被使用(上图中的虚线)。

也就是说汇聚层是一个active-passive的HA模式。这样在汇聚层，做不到水平扩展，因为就算加入多个汇聚层交换机，仍然只有一个在工作。

一些私有的协议，例如Cisco的vPC(Virtual Port Channel)可以提升汇聚层交换机的利用率，但是一方面，这是私有协议，另一方面，vPC也不能真正做到完全的水平扩展。

下图是一个汇聚层作为L2/L3分界线，且采用vPC的网络架构。

传统的数据中心网络技术，STP 是二层网络中非常重要的一种协议。在二层有一个相当矛盾的点，那就是可靠性和安全性的矛盾。

可靠性是指构建二层网络时，一般会采用会采用设备冗余和链路冗余的方式。

安全性是指二层交换机同处于一个广播域，广播报文在环路中会反复持续传送，可能会形成广播风暴，所以必须防止形成环路。

要想两种同时达到，可以采用STP(生成树协议)自动控制，即冗余设备和冗余链路成备份，在正常情况下被阻塞掉，当出现链路故障时冗余的设备端口和链路才会被打开。

由于 STP 的收敛性能等原因， 一般情况下 STP 的网络规模不会超过 100台交换机。STP的这种机制导致了二层链路利用率不足，尤其是在网络设备具有全连接拓扑关系时，这种缺陷尤为突出。

如上图所示，当采用全网STP二层设计时，STP将阻塞大多数链路，使接入到汇聚间带宽降至1/4，汇聚至核心间带宽降至1/8。这种缺陷造成越接近树根的交换机，端口拥塞越严重，造成的带宽资源浪费就越可观。

3.云计算的发展对数据中心的影响

随着互联网的发展带来的数据大爆发以及虚拟化技术的发展，计算资源被池化，对数据中心也提出了新的挑战：动态迁移和高性能。

采用大二层网络架构，可以实现整个数据网络都是L2广播域，这样即可实现动态迁移。大二层网络架构，L2/L3分界在核心交换机，核心交换机以下，也就是整个数据中心，是L2网络(当然，可以包含多个VLAN，VLAN之间通过核心交换机做路由进行连通)。大二层的网络架构如下图所示：

相对于之前的基础架构而言，具有如下特点：

而传统三层网络架构主要是为了南北流量设计，尽管也支持东西流量，但是不足十分明显。

东西流量分为L2和L3，如果是L2流量，如果源和目的主机都在同一个接入层交换机下，那么可以达到全速，因为接入交换机就能完成转发。如果需要跨机架，但仍然是在一个汇聚层POD内，则需要通过汇聚层交换机进行转发，带宽取决于汇聚层交换机的转发速率。 如果是L3流量，必须经过核心交换机完成转发，它不仅浪费了宝贵的核心交换机资源，多层转发也增加了延时。

而到大二层网络架构，无论是L2还是L3流量，都需要经过核心交换机，这也对核心交换机的性能提出了新的挑战。

5.总结

传统三层网络架构已经存在几十年，并且现在有些数据中心中仍然使用这种架构。最主要的原因是成本。

一方面是因为早期L3路由设备比L2桥接设备贵得多。即使是现在，核心交换机也比汇聚接入层设备贵不少。

另一方面，早期的数据中心，大部分流量是南北向流量。

例如，一个服务器上部署了WEB应用，供数据中心之外的客户端使用。使用这种架构可以在核心交换机统一控制数据的流入流出，添加负载均衡器，为数据流量做负载均衡等。

传统的三层网络架构必然不会在短期内消失，但是由于技术和市场的发展，其短板也越来越明显。比如企业将面临成本和可扩展性的两难选择。

基于现有网络架构的改进显得非常有必要，新的网络架构最好是：由相对较小规模的交换机构成，可以方便的水平扩展，较好的支持HA(active-active模式)，支持全速的东西向流量，不采购高性能的核心交换机也能去除超占比，支持SDN等等。

而对于此文，由于篇幅原因，SDN(软件定义网络)和VXLAN(虚拟可拓展局域网)这两个对于数据中心非常重要的技术都没有讲，下次有时间再来唠叨唠叨。

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