数据中心网络架构 — 网络带宽的收敛比

迷南。 2023-10-06 20:38 39阅读 0赞

## 目录 ##

#### 文章目录 ####

*  目录
 *  什么是带宽收敛比?
 *  交换机非线速导致的收敛
 *  网络设计导致的收敛
 *  网络流量收敛设计
 *   *  网络架构
     *  可用链路设计
     *  设备选型

## 什么是带宽收敛比? ##

带宽收敛，是指数据报文在数据中心网络架构的转发过程中，由于网络架构、网络设备等非故障原因而不能实现 “线速无丢包（即：无阻塞交换）” 的数据报文转发。在带宽收敛时，网络设备会有部分端口会被拥塞，进而丢弃部分报文。

而带宽收敛比，则是用于描述不同的收敛成都的一个数值。通常的，使用一个网络架构中的所有南向（下行）接口的总带宽比上所有北向（上行）接口的总带宽来表示。

例如：假设有 10 台服务器，每台服务器通过 10GE 的接口连接到一个接入交换机，那我们一共就有 100G（10×10G=100G）的南向带宽。假设这台交换机还有 2 个 40GE 的接口可以用于接入到更高一层的汇聚交换机，那我们一共就有 80G（2×40G=80G）的北向带宽。此时，我们得到的收敛比则是 1.25:1（100G / 80G = 1.25）或者 5:4。

值得注意的是，带宽收敛比的影响因素不仅仅是上下行带宽的数值比例，在实际情况中，还会存在网络设备自身非线速交换和网络架构设备失误导致的带宽损耗。总的来说，我们可以将带宽收敛的原因分为两类：

1.  交换机不支持线速转发，在交换机内部可能形成流量收敛。
2.  网络架构设计的原因，无论交换机是否线速，转发报文时也会存在流量收敛

当然，最理想的收敛比是 1:1。但是，低收敛比的网络架构就意味着要使用更高上行端口带宽的设备，这意味着更多的投入。实际上，数据中心的服务器也并非每时每刻都工作在高负荷下占满 100% 的带宽，也就是说即使不是 1:1 的收敛比，也不一定会出现数据报文拥塞丢包，业务仍可以正常运行。因此，找到 “成本的成效” 两者之间的平衡，找到最适合的收敛比，是网络架构设备的关键。

一般在园区网，由于流量压力不大，园区网网络一般都会存在较大的流量收敛；但在数据中心网络，由于其对性能要求高，流量收敛的设计就十分重要了。

## 交换机非线速导致的收敛 ##

假设某交换机只具有 8Gbps 线速转发的交换能力，某时刻从交换机前 12 个接口向后 12 个接口同时转发流量，当每个接口流量均达到 1Gbps 时，在交换机内部一定会有拥塞，此时便形成了带宽收敛。如下图所示，实际每秒交换机接收流量为 12Gbps，但转发出去的报文只有 8Gbps，带宽收敛比为 “输入带宽 / 输出带宽（12Gbps / 8Gbps）= 1.5:1 或者 3:2” 。

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## 网络设计导致的收敛 ##

例如下图所示，4 台服务器分别通过 10GE 链路连接接入交换机，接入交换机通过 1 条 25GE 链路连接核心交换机。即：接入交换机的下行带宽为 40Gbps，接入交换机的上行带宽为 25Gbps。带宽收敛比为 “下行带宽 / 上行带宽（40Gbps / 25Gbps）= 1.6:1”。

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## 网络流量收敛设计 ##

在进行网络流量收敛设计之前，我们需要了解网络中需要部署的业务应用及其特性，明确网络业务和流量模型。综合考虑东西、南北流量的大小、比例，来制定合适的收敛比和选择相应的设备。

一般需要从以下几个方面考虑：

1.  网络架构
2.  可用链路设计
3.  设备选型

在实际应用中，除非是对流量收敛比要求特别高的网络，我们也有一种简化的方法来考虑，即主要考虑设备的可用上行口的带宽来设计。

### 网络架构 ###

Spine Leaf 二层架构比传统三层架构整体上具有更小的收敛比，在性能要求更高的数据中心应考虑采用二层扁平化架构。

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在政府或金融或某些特殊领域等，由于业务架构或网络安全性的要求，需要 Spine 层设备和 GW 分离，部署安全隔离等，则会采用 Border Leaf、Spine、Leaf 的架构设计，这种设计实际上也是二层架构，因为 Border Leaf 和 Leaf 都是属于同一层的。

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### 可用链路设计 ###

在传统三层网络架构中，通常以 STP（生成树协议）配合 VRRP（网关冗余协议）提供服务器接入的可靠性。同时，服务器以多网卡连接网络以进一步提供冗余能力。但此种设计的冗余链路往往只能在主用链路故障时才发挥作用，链路及设备的利用率不高，也影响着网络的收敛比。

在新型数据中心网络架构中，可以采用 M-LAG（跨设备链路聚合）技术来构建高可用链路。如下图所示，M-LAG 可以看做一种横向虚拟化技术，将双归接入的两台设备在逻辑上虚拟成一台设备。M-LAG 提供了一个没有环路的二层拓扑，同时 M-LAG 成员口所在链路均参与转发，不存在链路的浪费情况。

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需要注意的是，当采用 M-LAG 方式接入的时候，需要规划好端口的使用，因为 M-LAG 的 Peer-Link 链路和双主检测链路都需要预留端口，如下图所示。

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*  **peer-link**：是一条直连链路，且必须做链路聚合，用于交换协商报文及传输部分流量。接口配置为 peer-link 接口后，该接口上不能再配置其它业务。为了增加 peer-link 链路的可靠性，推荐采用多条链路做链路聚合。
 *  **双主检测链路**：是一条三层互通链路，用于 M-LAG 主备设备间发送双主检测报文。
 *  **M-LAG 成员接口**：M-LAG 主备设备上连接用户侧主机（或交换设备）的 Trunk 接口。为了增加可靠性，推荐链路聚合配置为 LACP 模式。

在服务器接入侧，也有类似的设计方式。若服务器双网卡为主备方式，则可设计为只有主用链路生效、备用链路在主用链路故障时启用；若服务器双网卡为负载分担方式，则全部上联链路均可以使用，配合链路收敛比设计可以提高网络中的实际可用带宽，提升网络转发性能。

### 设备选型 ###

上述举例均假设所有交换机的所有端口可以线速转发，如果交换机不能线速转发，还需要考虑在交换机上的收敛。因此，为保证数据中心网络的高性能，最好选用具有全线速能力的交换机设备。

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