淺談數據中心網絡的三種網絡數據交換技術及其發展

       奈圖爾科技（www.ntooler.com）整理消息：縱覽數據中心內部網絡，以太網技術一家獨大，基本已經成為網絡技術的代名詞，我們日常談及的網絡技術基本都來源于以太網。而網絡是數據中心的重要組成部分，尤其是云計算、大數據、人工智能等新技術，更是要依賴網絡技術才能實現。

       目前應用的網絡技術基本都來源于以太網。以太網技術應用極廣，但又代表網絡的全部，其在數據中心內部屬于局域網的一部分，并且并不止以太網一家，本次主要是淺談一下三種網路數據交換技術，它們在特定的網絡中是如何得到了實際部署和應用的。

1 ）以太網技術

       以太網是在上世紀70年代提出的一種局域網協議，到現在已經發展了近五十年，在1983年IEEE 802.3標準正式發布，后續不斷擴充和完善。以太網技術能夠得到廣泛普及，和RFC文檔的不斷豐富密切相關。RFC包含了關于Internet的幾乎所有重要的文字資料，享有網絡知識圣經之美譽。

      RFC是由一系列草案組成的，這些草案都是由廣大的網絡技術專家提交的，經過不斷修改和完善，逐漸變成事實上的標準。很多網絡協議都是參考這些RFC文檔實現的。即使在網絡高度發達的今天，以太網技術也仍在不斷進步，不斷有新的網絡協議涌現，以便更好地適應新應用業務的需求。

       以太網依仗的是報文交換技術，交換技術打破了共享式以太網的5-4-3原則，使得以太網的規模和覆蓋范圍得以大幅度提高，從而使以太網能夠戰勝眾多的局域網技術而一枝獨秀，像二層的STP、VLAN、聚合技術，三層的OSPF、VRRP、BGP等等幾乎成為了數據中心網絡必備的網絡技術，統治數據中心網絡長達40年的時間，雖然近些年這些協議中有部分退出了歷史舞臺，但并不影響以太網的網絡地位，仍有新的網絡技術涌現出來，替代其中的老舊技術。

       以太網的交換技術采用的是CSMA/CD介質訪問控制的方法，在網絡上不斷偵聽鏈路是否空閑，如果沒有沖突就開始發送報告，它有存儲轉發和直通式兩種交換模式。其中存儲轉發是交換設備接收整個數據幀，進行CRC校驗和數據幀長度檢查，只有檢驗通過的報文才會被轉發出去;直通轉發只是讀取一下數據幀中的目的MAC部分，然后根據轉發表，把數據幀直接轉發出去，直通轉發效率更高，然后可能會出現錯包。

       現在數據中心的網絡設備大部分采用的是存儲轉發交換技術，以太網技術也在與時俱進，以太網技術呈多樣性發展，滿足數據中心中各種應用需要。

2 ）IB交換技術

       IB是InfiniBand的縮寫，IB交換技術是一種面向系統故障容忍性和可擴展性的點到點互聯結構。

       IB技術不是用于一般網絡連接，它主要的設計目的是針對服務器端連接問題。IB技術主要應用于服務器與服務器之間(比如復制，分布式工作等)，服務器和存儲設備之間(比如SAN和直接存儲附件)以及服務器和網絡之間(比如LAN， WANs和the Internet)的通信。

       與萬兆以太網相比，IB技術在性能上優勢明顯，IB是高性能交換的發展趨勢，整個IB交換系統是由交換機、計算節點、主機活配器、網絡管理軟件、IO和存儲節點組成，IB技術和以太網交換技術應用的位置不同，可以和以太網技術共存，以太網技術主要應用于高層網絡通信，而IB技術用于低層輸入和輸出通信的技術，IB技術肩負著改善服務器端輸入/輸出性能的使命。

       有關IB技術的規格及標準規范是1999年開始起草的，2000年9月26日正式發布了第一個正式版本，后來經過了一陣沉默期，不斷有技術廠商退出，IB技術不斷走向暗淡，雖然IB技術的交換轉發效率更高，但并沒有贏得市場的認同，只是在一些小眾的市場中獲得了一些訂單，比如期貨交易系統、金融系統等，這些地方對網絡延時非常在意，需要延遲更低了交換設備，顯然IB技術迎合了它們的口味。

      現如今，IB技術基本是Mellanox一家獨大了，有不少出售IB交換設備的廠家，基本也都是從Mellanox OEM得到的，比如HP、DELL等，未來IB的市場空間依然不會太大，但仍是一種必需的網絡技術存在。

3 ）面向特定計算平臺的專用互連交換技術

       這里有不少新的交換技術，都是為高速計算服務的，通過提供網絡處理的速度，從而提升分布式計算效率，要知道無論是云計算，還是大數據，都需要網絡將很多臺服務器的計算資源連接，通過網絡進行分布式計算，提升計算速度。比如Torus架構，Torus是一種針對容器集群量身打造的存儲系統，可以為通過Kubernetes編排和管理的容器集群提供可靠可擴展的存儲，當然Torus也是一種交換技術，基于Torus架構構建的超級計算機互連網絡系統具有領先的性能、超強的擴展能力、極佳的容錯能力，適用于一些中小規模的高性能計算系統，是面向超大規模計算的更佳網絡技術路線。

       就在2020年11月12日-17日舉行的”世界超算大會(SC17)“上，中科曙光發布了一款Torus硅元交換機，就采用了Torus交換架構，可以實現192個100Gb高速網絡端口轉發，Torus設備之間可以通過400Gb專用接口進行互連。

       Torus交換技術在存儲和高速計算領域有很大應用空間，現階段是一種風頭正勁的交換技術。

總結

      以上內容僅僅結合筆者個人掌握的咨詢和經驗的淺見，本文僅淺談了具有代表性的網絡交換技術。隨著通信技術的迅速發展而不斷的發展完善。網絡交換技術在其發展過程中，對于不同的業務，不斷提出新的解決辦法，直到有新的網絡交換技術出現，網絡交換技術也在不斷更新變化，即使是以太網交換也在不斷優化和修繕，停下來就可能被新技術所淘汰。