再聊數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)

前天，小棗君發(fā)了一篇關(guān)于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的文章（鏈接）。很多讀者留言，說沒看明白。

本著“將通信科普到底”的原則，今天，我再繼續(xù)聊一下這個(gè)話題。

故事還是要從頭開始說起。

1973年夏天，兩名年輕的科學(xué)家（溫頓·瑟夫和羅伯特卡恩）開始致?于在新?的計(jì)算機(jī)?絡(luò)中，尋找?種能夠在不同機(jī)器之間進(jìn)行通訊的?法。

不久后，在一本黃?的便簽本上，他們畫出了TCP/IP協(xié)議族的原型。

幾乎在同時(shí)，施樂公司的梅特卡夫和博格思，發(fā)明了以太網(wǎng)（Ethernet）。

我們現(xiàn)在都知道，互聯(lián)網(wǎng)的最早原型，是老美搞出來的ARPANET（阿帕網(wǎng)）。

ARPANET最開始用的協(xié)議超爛，滿足不了計(jì)算節(jié)點(diǎn)規(guī)模增長(zhǎng)的需求。于是，70年代末，大佬們將ARPANET的核心協(xié)議替換成了TCP/IP（1978年）。

進(jìn)入80年代末，在TCP/IP技術(shù)的加持下，ARPANET迅速擴(kuò)大，并衍生出了很多兄弟姐妹。這些兄弟姐妹互相連啊連啊，就變成了舉世聞名的互聯(lián)網(wǎng)。

可以說，TCP/IP技術(shù)和以太網(wǎng)技術(shù)，是互聯(lián)網(wǎng)早期崛起的基石。它們成本低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于開發(fā)、部署，為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的普及做出了巨大貢獻(xiàn)。

但是后來，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的急劇膨脹，傳統(tǒng)TCP/IP和以太網(wǎng)技術(shù)開始顯現(xiàn)疲態(tài)，無法滿足互聯(lián)網(wǎng)大帶寬、高速率的發(fā)展需求。

最開始出現(xiàn)問題的，是存儲(chǔ)。

早期的存儲(chǔ)，大家都知道，就是機(jī)器內(nèi)置硬盤，通過IDE、SCSI、SAS等接口，把硬盤連到主板上，通過主板上的總線（BUS），實(shí)現(xiàn)CPU、內(nèi)存對(duì)硬盤數(shù)據(jù)的存取。

后來，存儲(chǔ)容量需求越來越大，再加上安全備份的考慮（需要有RAID1/RAID5），硬盤數(shù)量越來越多，若干個(gè)硬盤搞不定，服務(wù)器內(nèi)部也放不下。于是，就有了磁陣。

磁陣，磁盤陣列

磁陣就是專門放磁盤的設(shè)備，一口子插幾十塊那種。

硬盤數(shù)據(jù)存取，一直都是服務(wù)器的瓶頸。開始的時(shí)候，用的是網(wǎng)線或?qū)Ｓ秒娎|連接服務(wù)器和磁陣，很快發(fā)現(xiàn)不夠用。于是，就開始用光纖。這就是FC通道（Fibre Channel，光纖通道）。

2000年左右，光纖通道還是比較高大上的技術(shù)，成本不低。

當(dāng)時(shí)，公共通信網(wǎng)絡(luò)（骨干網(wǎng)）的光纖技術(shù)處于在SDH 155M、622M的階段，2.5G的SDH和波分技術(shù)才剛起步，沒有普及。后來，光纖才開始爆發(fā)，容量開始迅速躍升，向10G（2003）、40G（2010）、100G（2010）、400G（現(xiàn)在）的方向發(fā)展。

光纖不能用于數(shù)據(jù)中心的普通網(wǎng)絡(luò)，那就只能繼續(xù)用網(wǎng)線，還有以太網(wǎng)。

好在那時(shí)服務(wù)器之間的通信要求還沒有那么高。100M和1000M的網(wǎng)線，勉強(qiáng)能滿足一般業(yè)務(wù)的需求。2008年左右，以太網(wǎng)的速率才勉強(qiáng)達(dá)到了1Gbps的標(biāo)準(zhǔn)。

2010年后，又出幺蛾子。

除了存儲(chǔ)之外，因?yàn)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/492547.html">云計(jì)算、圖形處理、人工智能、超算還有比特幣等亂七八糟的原因，人們開始盯上了算力。

摩爾定律的逐漸疲軟，已經(jīng)無法支持CPU算力的提升需求。牙膏越來越難擠，于是，GPU開始崛起。使用顯卡的GPU處理器進(jìn)行計(jì)算，成為了行業(yè)的主流趨勢(shì)。

得益于AI的高速發(fā)展，各大企業(yè)還搞出了AI芯片、APU、xPU啊各自五花八門的算力板卡。

算力極速膨脹（100倍以上），帶來的直接后果，就是服務(wù)器數(shù)據(jù)吞吐量的指數(shù)級(jí)增加。

除了AI帶來的變態(tài)算力需求之外，數(shù)據(jù)中心還有一個(gè)顯著的變化趨勢(shì)，那就是服務(wù)器和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)流量急劇增加。

互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展、用戶數(shù)猛漲，傳統(tǒng)的集中式計(jì)算架構(gòu)無法滿足需求，開始轉(zhuǎn)變?yōu)榉植际郊軜?gòu)。

舉例來說，現(xiàn)在618，大家都在血拼。百八十個(gè)用戶，一臺(tái)服務(wù)器就可以，千萬級(jí)億級(jí)，肯定不行了。所以，有了分布式架構(gòu)，把一個(gè)服務(wù)，放在N個(gè)服務(wù)器上，分開算。

分布式架構(gòu)下，服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)流量大大增加了。數(shù)據(jù)中心內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的流量壓力陡增，數(shù)據(jù)中心與數(shù)據(jù)中心之間也是一樣。

這些橫向（專業(yè)術(shù)語叫東西向）的數(shù)據(jù)報(bào)文，有時(shí)候還特別大，一些圖形處理的數(shù)據(jù)，包大小甚至是Gb級(jí)別。

綜上原因，傳統(tǒng)以太網(wǎng)根本搞不定這么大的數(shù)據(jù)傳輸帶寬和時(shí)延（高性能計(jì)算，對(duì)時(shí)延要求極高）需求。所以，少數(shù)廠家就搞了一個(gè)私有協(xié)議的專用網(wǎng)絡(luò)通道技術(shù)，也就是Infiniband網(wǎng)絡(luò)（直譯為“無限帶寬”技術(shù)，縮寫為IB）。

FC vs IB vs 以太網(wǎng)

IB技術(shù)時(shí)延極低，但是造價(jià)成本高，而且維護(hù)復(fù)雜，和現(xiàn)有技術(shù)都不兼容。所以，和FC技術(shù)一樣，只在特殊的需求下使用。

算力高速發(fā)展的同時(shí)，硬盤不甘寂寞，搞出了SSD固態(tài)硬盤，取代機(jī)械硬盤。內(nèi)存嘛，從DDR到DDR2、DDR3、DDR4甚至DDR5，也是一個(gè)勁的猥瑣發(fā)育，增加頻率，增加帶寬。

處理器、硬盤和內(nèi)存的能力爆發(fā)，最終把壓力轉(zhuǎn)嫁到了網(wǎng)卡和網(wǎng)絡(luò)身上。

學(xué)過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)的同學(xué)都知道，傳統(tǒng)以太網(wǎng)是基于“載波偵聽多路訪問/沖突檢測(cè)（CSMA/CD）”的機(jī)制，極容易產(chǎn)生擁塞，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)時(shí)延升高，還經(jīng)常發(fā)生丟包。

TCP/IP協(xié)議的話，服役時(shí)間實(shí)在太長(zhǎng)，都40多年的老技術(shù)了，毛病一大堆。

舉例來說，TCP協(xié)議棧在接收/發(fā)送報(bào)文時(shí)，內(nèi)核需要做多次上下文切換，每次切換需要耗費(fèi)5us~10us左右的時(shí)延。另外，還需要至少三次的數(shù)據(jù)拷貝和依賴CPU進(jìn)行協(xié)議封裝。

這些協(xié)議處理時(shí)延加起來，雖然看上去不大，十幾微秒，但對(duì)高性能計(jì)算來說，是無法忍受的。

除了時(shí)延問題外，TCP/IP網(wǎng)絡(luò)需要主機(jī)CPU多次參與協(xié)議棧內(nèi)存拷貝。網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大，帶寬越高，CPU在收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)的調(diào)度負(fù)擔(dān)就越大，導(dǎo)致CPU持續(xù)高負(fù)載。

按照業(yè)界測(cè)算數(shù)據(jù)：每傳輸1bit數(shù)據(jù)需要耗費(fèi)1Hz的CPU，那么當(dāng)網(wǎng)絡(luò)帶寬達(dá)到25G以上（滿載）的時(shí)候，CPU要消費(fèi)25GHz的算力，用于處理網(wǎng)絡(luò)。大家可以看看自己的電腦CPU，工作頻率是多少。

那么，是不是干脆直接換個(gè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)就行呢？

不是不行，是難度太大。

CPU、硬盤和內(nèi)存，都是服務(wù)器內(nèi)部硬件，換了就換了，和外部無關(guān)。

但是通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是外部互聯(lián)技術(shù)，是要大家協(xié)商一起換的。我換了，你沒換，網(wǎng)絡(luò)就嗝屁了。

全世界互聯(lián)網(wǎng)同時(shí)統(tǒng)一切換技術(shù)協(xié)議，你覺得可不可能？

不可能。所以，就像現(xiàn)在IPv6替換IPv4，就是循序漸進(jìn)，先雙棧（同時(shí)支持v4和v6），然后再慢慢淘汰v4。

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的物理通道，光纖替換網(wǎng)線，還稍微容易一點(diǎn)，先小規(guī)模換，再逐漸擴(kuò)大。換了光纖后，網(wǎng)絡(luò)的速度和帶寬上的問題，得以逐漸緩解。

網(wǎng)卡能力不足的問題，也比較好解決。既然CPU算不過來，那網(wǎng)卡就自己算唄。于是，就有了現(xiàn)在很火的智能網(wǎng)卡。某種程度來說，這就是算力下沉。

搞5G核心網(wǎng)的同事應(yīng)該很熟悉，5G核心網(wǎng)媒體面網(wǎng)元UPF，承擔(dān)了無線側(cè)上來的所有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，壓力極大。

現(xiàn)在，UPF網(wǎng)元就采用了智能網(wǎng)卡技術(shù)，由網(wǎng)卡自己進(jìn)行協(xié)議處理，緩解CPU的壓力，流量吞吐還更快。

如何解決數(shù)據(jù)中心通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的問題呢？專家們想了半天，還是決定硬著頭皮換架構(gòu)。他們從服務(wù)器內(nèi)部通信架構(gòu)的角度，重新設(shè)計(jì)一個(gè)方案。

在新方案里，應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)，不再經(jīng)過CPU和復(fù)雜的操作系統(tǒng)，直接和網(wǎng)卡通信。

這就是新型的通信機(jī)制——RDMA（Remote Direct Memory Access，遠(yuǎn)程直接數(shù)據(jù)存取）。

RDMA相當(dāng)于是一個(gè)“消滅中間商”的技術(shù)，或者說“走后門”技術(shù)。

RDMA的內(nèi)核旁路機(jī)制，允許應(yīng)用與網(wǎng)卡之間的直接數(shù)據(jù)讀寫，將服務(wù)器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延降低到接近1us。

同時(shí)，RDMA的內(nèi)存零拷貝機(jī)制，允許接收端直接從發(fā)送端的內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)，極大的減少了CPU的負(fù)擔(dān)，提升CPU的效率。

RDMA的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于TCP/IP，逐漸成為主流的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議棧，將來一定會(huì)取代TCP/IP。

RDMA有兩類網(wǎng)絡(luò)承載方案，分別是專用InfiniBand和傳統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)。

RDMA最早提出時(shí)，是承載在InfiniBand網(wǎng)絡(luò)中。

但是，InfiniBand是一種封閉架構(gòu)，交換機(jī)是特定廠家提供的專用產(chǎn)品，采用私有協(xié)議，無法兼容現(xiàn)網(wǎng)，加上對(duì)運(yùn)維的要求過于復(fù)雜，并不是用戶的合理選擇。

于是，專家們打算把RDMA移植到以太網(wǎng)上。

比較尷尬的是，RDMA搭配傳統(tǒng)以太網(wǎng)，存在很大問題。

RDMA對(duì)丟包率要求極高。0.1%的丟包率，將導(dǎo)致RDMA吞吐率急劇下降。2%的丟包率，將使得RDMA的吞吐率下降為0。

InfiniBand網(wǎng)絡(luò)雖然貴，但是可以實(shí)現(xiàn)無損無丟包。所以RDMA搭配InfiniBand，不需要設(shè)計(jì)完善的丟包保護(hù)機(jī)制。

現(xiàn)在好了，換到傳統(tǒng)以太網(wǎng)環(huán)境，以太網(wǎng)的人生態(tài)度就是兩個(gè)字——“擺爛”。以太網(wǎng)發(fā)包，采取的是“盡力而為”的原則，丟包是家常便飯，丟了就再傳。

于是，專家們必須解決以太網(wǎng)的丟包問題，才能實(shí)現(xiàn)RDMA向以太網(wǎng)的移植。再于是，就有了前天文章提到的，華為的超融合數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)智能無損技術(shù)。

說白了，就是讓以太網(wǎng)做到零丟包，然后支撐RDMA。有了RDMA，就能實(shí)現(xiàn)超融合數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)。

關(guān)于零丟包技術(shù)的細(xì)節(jié)，我不再贅述，大家看前天那篇文章（再給一遍鏈接：這里）。

值得一提的是，引入AI的網(wǎng)絡(luò)智能無損技術(shù)是華為的首創(chuàng)，但超融合數(shù)據(jù)中心，是公共的概念。除了華為之外，別的廠家（例如深信服、聯(lián)想等）也講超融合數(shù)據(jù)中心，而且，這個(gè)概念在2017年就很熱了。

什么叫超融合？

準(zhǔn)確來說，超融合就是一張網(wǎng)絡(luò)，通吃HPC高性能計(jì)算、存儲(chǔ)和一般業(yè)務(wù)等多種業(yè)務(wù)類型。處理器、存儲(chǔ)、通信，全部都是超融合管理的資源，大家平起平坐。

超融合不僅要在性能上滿足這些低時(shí)延、大帶寬的變態(tài)需求，還要有低成本，不能太貴，也不能太難維護(hù)。

未來，數(shù)據(jù)中心在整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上，就是葉脊網(wǎng)絡(luò)一條路走到黑（到底什么是葉脊網(wǎng)絡(luò)？）。路由交換調(diào)度上，SDN、IPv6、SRv6慢慢發(fā)展。微觀架構(gòu)上，RDMA技術(shù)發(fā)展，替換TCP/IP。物理層上，全光繼續(xù)發(fā)展，400G、800G、1.2T…
我個(gè)人臆測(cè)，目前電層光層的混搭，最終會(huì)變成光的大一統(tǒng)。光通道到全光交叉之后，就是滲透到服務(wù)器內(nèi)部，服務(wù)器主板不再是普通PCB，而是光纖背板。芯片和芯片之間，全光通道。芯片內(nèi)部，搞不好也是光。

光通道是王道

路由調(diào)度上，以后都是AI的天下，網(wǎng)絡(luò)流量啊協(xié)議啊全部都是AI接管，不需要人為干預(yù)。大量的通信工程師下崗。

好了，關(guān)于數(shù)據(jù)中心通信網(wǎng)絡(luò)的介紹就是這么多。不知道大家這次有沒有看明白？

沒看明白的話，就再看一次。