江湍

（廈門大學(xué) 信息與網(wǎng)絡(luò)中心，福建廈門361005）

基于“分布式多活”的高校數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)設(shè)計研究

江湍

（廈門大學(xué) 信息與網(wǎng)絡(luò)中心，福建廈門361005）

隨著高校信息化的發(fā)展，校園的日常運營越來越離不開數(shù)據(jù)中心的支撐。為數(shù)據(jù)中心提供一個穩(wěn)定、安全、高效的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境成為當(dāng)前高校網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的一個重要課題。 “分布式多活”數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)是一個實現(xiàn)前端業(yè)務(wù)多活、后臺資源共享和數(shù)據(jù)互為備份的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)平臺，能夠有效保證高校數(shù)據(jù)中心的業(yè)務(wù)連續(xù)性和數(shù)據(jù)安全性。本文以廈門大學(xué)為例介紹了基于“分布式多活”高校數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的研究與設(shè)計。

分布式多活；數(shù)據(jù)中心；網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

一、引言

隨著云計算、大數(shù)據(jù)技術(shù)的廣泛運用，人們對數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)的依賴程度越來越高?！胺植际蕉嗷睢睌?shù)據(jù)中心具備零中斷的業(yè)務(wù)連續(xù)性、零丟失的數(shù)據(jù)安全性和靈活的服務(wù)擴展性，因而成為當(dāng)前大中型數(shù)據(jù)中心建設(shè)的熱點模式。[1]所謂“分布式多活”數(shù)據(jù)中心指的是將分布在多個地點的數(shù)據(jù)中心整合起來，多個中心之間地位均等，在邏輯上將它們視為一個全局的大數(shù)據(jù)中心，建立基于全局大中心的統(tǒng)一管理平臺實現(xiàn)跨多個數(shù)據(jù)中心的資源調(diào)度。正常情況下多個數(shù)據(jù)中心協(xié)同工作，并行地為業(yè)務(wù)訪問提供服務(wù)；當(dāng)某個中心發(fā)生故障時，其他中心可以正常運行并對故障中心的業(yè)務(wù)進行接管。[2]與傳統(tǒng)“主/備”或“兩地三中心”模式的數(shù)據(jù)中心相比，“分布式多活”數(shù)據(jù)中心具有明顯的優(yōu)勢：

1.資源利用率大幅提高

傳統(tǒng)模式下，備份中心在網(wǎng)絡(luò)、存儲、服務(wù)器、系統(tǒng)等軟硬件配置上與主數(shù)據(jù)中心相同，但僅在主數(shù)據(jù)中心出現(xiàn)故障時產(chǎn)生作用，資源平時無法復(fù)用，建設(shè)成本高，利用率卻很低?！胺植际蕉嗷睢蹦Ｊ较?，多個數(shù)據(jù)中心地位均等，并行地協(xié)同工作，每個數(shù)據(jù)中心的資源都得到了充分利用，避免了資源浪費。

2.災(zāi)難恢復(fù)能力等級[3]高

傳統(tǒng)模式下，數(shù)據(jù)中心發(fā)生故障時，RTO（Recovery Time Objective，恢復(fù)時間目標(biāo)）與RPO（Recovery Point Objective，恢復(fù)時點目標(biāo)）一般為數(shù)小時或更長時間，容易造成業(yè)務(wù)訪問的長時間中斷和數(shù)據(jù)的丟失?！胺植际蕉嗷睢蹦Ｊ较?，當(dāng)故障發(fā)生時，各個數(shù)據(jù)中心間的業(yè)務(wù)接管和切換幾乎是實時的，即RTO≈0，多個中心之間的數(shù)據(jù)實時互為備份，即RPO=0。其災(zāi)難恢復(fù)能力等級達(dá)到最高級別第6級。[4]

3.業(yè)務(wù)系統(tǒng)的高可用性

傳統(tǒng)模式下，主數(shù)據(jù)中心正常運行時，災(zāi)備中心一般只做數(shù)據(jù)備份，不承擔(dān)業(yè)務(wù)應(yīng)用。主中心故障時，業(yè)務(wù)應(yīng)用切換時間長，造成業(yè)務(wù)訪問的中斷，嚴(yán)重影響用戶體驗?！胺植际蕉嗷睢蹦Ｊ较?，相同的業(yè)務(wù)系統(tǒng)可以部署在多個數(shù)據(jù)中心內(nèi)并行地提供服務(wù)，實現(xiàn)業(yè)務(wù)訪問的前端多活。一般情況下，其服務(wù)能力往往雙倍甚至數(shù)倍于主備模式。[5]充分保證了業(yè)務(wù)系統(tǒng)的高可用性。

鑒于“分布式多活”數(shù)據(jù)中心的先進性，廈門大學(xué)計劃將校園數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)型為“分布式多活”模式。首當(dāng)其沖的任務(wù)就是對原有數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)進行 “分布式多活”的設(shè)計與改造。

二、案例數(shù)據(jù)中心情況簡介

本文以廈門大學(xué)校園數(shù)據(jù)中心為例。目前廈門大學(xué)現(xiàn)有三個B級[6]數(shù)據(jù)中心機房，其中主數(shù)據(jù)中心位于思明校區(qū)，擁有服務(wù)器400多臺，運行著包括校園信息化、教務(wù)、金融一卡通等40多個業(yè)務(wù)系統(tǒng)；同城災(zāi)備中心位于翔安校區(qū)，負(fù)責(zé)對主中心的業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行定期備份；異地災(zāi)備中心位于漳州校區(qū)，當(dāng)廈門發(fā)生區(qū)域性災(zāi)難時能將思明校區(qū)主中心的核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)切換至漳州校區(qū)災(zāi)備中心。在數(shù)據(jù)中心的部署上廈門大學(xué)采用了傳統(tǒng)的“兩地三中心”模式。網(wǎng)絡(luò)方面三個校區(qū)數(shù)據(jù)中心機房的網(wǎng)絡(luò)核心交換機均通過專線連接到思明校區(qū)主中心機房的某品牌企業(yè)級核心交換機上，其中思明、翔安由兩條萬兆專線連接，漳州由六條千兆專線連接。三個中心之間的交換數(shù)據(jù)實時轉(zhuǎn)發(fā)，交換帶寬最高可達(dá)720Gb。

近年來隨著校園各項業(yè)務(wù)數(shù)字化的不斷深入，學(xué)校的日常運營和廣大師生的工作生活都已離不開數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)與支撐。盡管校方不斷加大對數(shù)據(jù)中心的建設(shè)投入，可由于數(shù)據(jù)中心采用的傳統(tǒng)部署模式，其災(zāi)難恢復(fù)能力等級只能達(dá)到第4級，即RTO與RPO需要數(shù)小時至一天，這已不能滿足當(dāng)前和未來學(xué)校對數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)連續(xù)性的需求；[3]而且隨著建設(shè)資金的持續(xù)投入，兩個災(zāi)備中心的資源利用率卻始終很低，無法達(dá)到預(yù)期的投資回報。為了解決上述問題，廈門大學(xué)將建設(shè)“分布式多活”校園數(shù)據(jù)中心列入工作計劃。這是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要對原有數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、系統(tǒng)、應(yīng)用等各個方面進行設(shè)計和改造。本文中筆者對“分布式多活”數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)平臺的設(shè)計與建設(shè)進行了分析與闡述。

三、“分布式多活”網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)要素

“分布式多活”的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是一個能夠滿足數(shù)據(jù)中心有效擴展、分支部門靈活接入和業(yè)務(wù)系統(tǒng)快速部署的彈性高可用網(wǎng)絡(luò)。建設(shè)中應(yīng)考慮以下四個要素：①核心網(wǎng)，核心網(wǎng)是“分布式多活”數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)支撐網(wǎng)絡(luò)，是多中心資源調(diào)度和互訪的高速通道，負(fù)責(zé)實現(xiàn)各個業(yè)務(wù)部門與數(shù)據(jù)中心的互聯(lián)。②數(shù)據(jù)中心架構(gòu)，數(shù)據(jù)中心架構(gòu)分為數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心間互聯(lián)兩個部分。前者描述單一中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，后者描述各中心之間網(wǎng)絡(luò)如何互聯(lián)以實現(xiàn)多中心間資源的最優(yōu)調(diào)度。③業(yè)務(wù)接入選擇，業(yè)務(wù)接入選擇應(yīng)考慮業(yè)務(wù)接入的高可用性、接入最優(yōu)路徑選擇和業(yè)務(wù)流量的合理分配。④終端接入方式，終端接入方式主要解決兩方面問題。一是保證業(yè)務(wù)部門的終端用戶能夠快速便捷安全地接入核心網(wǎng)絡(luò)；二是保證業(yè)務(wù)部門內(nèi)部終端能夠靈活擴展。

1.核心網(wǎng)設(shè)計

“分布式多活”數(shù)據(jù)中心的核心網(wǎng)是多個數(shù)據(jù)中心與業(yè)務(wù)部門的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，是各項業(yè)務(wù)的主要承載網(wǎng)絡(luò)。從拓?fù)渖现饕譃樾切途W(wǎng)絡(luò)和環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)兩種。

星型網(wǎng)絡(luò)多應(yīng)用于“兩地三中心”災(zāi)備模式，即廈門大學(xué)現(xiàn)有災(zāi)備模式。主要特點是以主數(shù)據(jù)中心和同城、異地災(zāi)備中心為主要節(jié)點，分支部門作為邊緣節(jié)點與主要節(jié)點之間采取雙線進行全冗余星型連接。該類網(wǎng)絡(luò)的主要特點是網(wǎng)絡(luò)全冗余，可實現(xiàn)單點故障情況下的業(yè)務(wù)自動切換，可靠性較高。

“分布式多活”模式下的核心網(wǎng)一般采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，細(xì)分為“單網(wǎng)/單平面”、“雙網(wǎng)/雙平面”、“單網(wǎng)/多平面”、“一網(wǎng)雙平面”四種類型。在本文案例中，考慮到數(shù)據(jù)中心現(xiàn)有的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)狀況，筆者采用了“一網(wǎng)雙平面”的設(shè)計。主要思路是要將原有廣域骨干網(wǎng)絡(luò)從傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心功能區(qū)提取出來，挑選若干個節(jié)點為骨干節(jié)點，在各骨干節(jié)點中部署兩臺骨干路由器，分屬A、B兩個平面，同時將骨干節(jié)點內(nèi)的兩臺路由器之間利用萬兆或千兆光纖互連。通過SDH （Synchronous Digital Hierarchy，同步數(shù)字體系）或MSTP（Multi-Service Transfer Platform多業(yè)務(wù)傳送平臺）等主流專線將同平面的骨干路由器環(huán)形連接起來。使廣域骨干網(wǎng)絡(luò)形成了兩個相對獨立的轉(zhuǎn)發(fā)平面A和接入平面B，同時平面間互為備份的高帶寬、高速度核心環(huán)網(wǎng)。[7]主要優(yōu)點在于高擴展性、高安全性和高業(yè)務(wù)可控性。[8]

案例核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)計如圖1所示，筆者選取思明、翔安、漳州三個數(shù)據(jù)中心作為骨干節(jié)點構(gòu)建“一網(wǎng)雙平面”的核心環(huán)網(wǎng)。將機房原有的核心路由器和同型號冗余路由器作為核心網(wǎng)的骨干路由器，部署到不同的平面A、B，兩個路由器間由萬兆光纖相連。利用教育網(wǎng)專線和電信專線將同平面的骨干路由器互連，形成“一網(wǎng)雙平面”的核心環(huán)網(wǎng)。采用不同的動態(tài)路由策略將轉(zhuǎn)發(fā)和接入的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分流到相應(yīng)的承載平面。將全校的各關(guān)鍵業(yè)務(wù)部門設(shè)為一級分節(jié)點，均通過兩臺接入路由器以雙鏈路方式接入核心環(huán)網(wǎng)的兩個不同平面，并在所有線路上配置QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）策略保障關(guān)鍵業(yè)務(wù)的使用帶寬。

圖1 廈門大學(xué)環(huán)形核心網(wǎng)拓?fù)鋱D

2.數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計包括單個數(shù)據(jù)中心的內(nèi)部架構(gòu)、數(shù)據(jù)中心之間的互聯(lián)。

（1）“分布式多活”單個數(shù)據(jù)中心內(nèi)部架構(gòu)

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心一般采用“二層+三層”的接入?yún)R聚分層組網(wǎng)模式，即根據(jù)業(yè)務(wù)種類將服務(wù)器接入到不同的二層VLAN，通過生成樹技術(shù)來防止環(huán)路。[9]在將不同區(qū)域業(yè)務(wù)流量匯聚到高性能的匯聚交換機后，通過核心層的三層路由轉(zhuǎn)發(fā)到其他中心。該模式一般應(yīng)用于主/備數(shù)據(jù)中心。

“分布式多活”模式下單個數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的服務(wù)器之間需要進行大量的協(xié)同工作，這就要求數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)有著更高的吞吐量和更靈活的業(yè)務(wù)部署能力。一般采用統(tǒng)一交換架構(gòu)實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的內(nèi)部組網(wǎng)，使用虛擬化和分布式網(wǎng)關(guān)技術(shù)從根源上消除了二層環(huán)路和廣播風(fēng)波，在保障業(yè)務(wù)高可靠性的同時大幅度提高了線路利用率。具體如圖2所示。優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)路徑。具體如圖3所示。

圖2 統(tǒng)一交換架構(gòu)模式圖

圖3 廈門大學(xué)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

（2）“分布式多活”數(shù)據(jù)中心之間的互聯(lián)

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心之間一般采用三層方式通過IP進行互聯(lián)。在“分布式多活”模式下，為了實現(xiàn)后臺資源共享的目標(biāo)，可以利用OTV（Overlay Transport Virtualization）技術(shù)在數(shù)據(jù)中心之間已經(jīng)三層互聯(lián)的基礎(chǔ)上快速實現(xiàn)二層互通。[10]OTV是一種基于MAC的路由，其工作原理為：2個數(shù)據(jù)中心之間的邊界設(shè)備建立OTV鄰居，鄰居之間共享自己的MAC地址表，最終建立各自的MAC路由表；建立數(shù)據(jù)中心A的MAC1和數(shù)據(jù)中心B 的MAC3通信，MAC1首先查找自己本地邊界設(shè)備的MAC路由表，根據(jù)路由表發(fā)現(xiàn)下一跳指向?qū)Χ诉吔缭O(shè)備；在本端邊界設(shè)備的OTV接口將MAC1到MAC3的幀進行封裝，發(fā)送到對端數(shù)據(jù)中心的邊界設(shè)備，在對端數(shù)據(jù)中心邊界設(shè)備的OTV接口進行解裝；對端邊界設(shè)備查找本地的MAC地址表，將解封裝后的幀發(fā)往對應(yīng)的接口，因此建立了MAC1到MAC3的通信。[9]

OTV技術(shù)將兩個三層互聯(lián)的數(shù)據(jù)中心的2個分散二層域（VLAN）疊加起來形成一個完整的、大的二層網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)跨數(shù)據(jù)中心之間的互聯(lián)。

（3）案例數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在廈門大學(xué)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案中，筆者采用統(tǒng)一交換架構(gòu)實現(xiàn)三個校區(qū)數(shù)據(jù)中的內(nèi)部組網(wǎng)，利用OTV技術(shù)在原先已三層互聯(lián)的數(shù)據(jù)中心之間實現(xiàn)大二層互通，為數(shù)據(jù)中心內(nèi)部和穿越數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)流提供了最

3.業(yè)務(wù)接入選擇

業(yè)務(wù)接入選擇方案中需要考慮利用多路徑來保證業(yè)務(wù)訪問的高可用性；通過選擇合適的流量調(diào)度模式實現(xiàn)業(yè)務(wù)訪問的最優(yōu)路徑并實現(xiàn)流量的合理分配。

（1）業(yè)務(wù)的多路徑接入

在“分布式多活”數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)中同一類型業(yè)務(wù)系統(tǒng)可以根據(jù)需要部署在不同數(shù)據(jù)中心的不同網(wǎng)段內(nèi)，服務(wù)器可以配置不同的網(wǎng)關(guān)地址并獨立設(shè)置自身的網(wǎng)絡(luò)策略。通過全局負(fù)載均衡、路由注入等技術(shù)保證部署在不同骨干節(jié)點上的某一類業(yè)務(wù)系統(tǒng)在全網(wǎng)的唯一訪問IP，所有系統(tǒng)均可獨立響應(yīng)用戶請求。由此實現(xiàn)業(yè)務(wù)的多路徑接入，保證了業(yè)務(wù)系統(tǒng)的高可用性。

（2）業(yè)務(wù)流量調(diào)度模式

業(yè)務(wù)流量調(diào)度模式用于解決業(yè)務(wù)接入時的最優(yōu)路徑選擇和全局流量合理分配的問題。目的是讓用戶能夠更加快捷地獲得服務(wù)并充分利用線路帶寬，保持各數(shù)據(jù)中心的負(fù)載均衡。常用的流量調(diào)度方式有純IP和DNS解析兩種。

純IP流量調(diào)度模式，就是在兩個異地的數(shù)據(jù)中心內(nèi)部各部署一組相同的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，利用流量管理設(shè)備檢查本地業(yè)務(wù)系統(tǒng)的健康情況，系統(tǒng)可用時對外發(fā)布業(yè)務(wù)路由，通過調(diào)整路由條目在自治域中的優(yōu)先級，控制分支節(jié)點訪問不同核心節(jié)點上的業(yè)務(wù)系統(tǒng)來完成流量的靈活調(diào)度，系統(tǒng)故障時對應(yīng)數(shù)據(jù)中心的業(yè)務(wù)路由消失，流量通過次優(yōu)路徑自動牽引至其他數(shù)據(jù)中心，某一業(yè)務(wù)繁忙時也可通過調(diào)整相關(guān)參數(shù)訪問資源較多的中心。

DNS流量調(diào)度模式是基于智能DNS解析的GSLB （Global Server Load Balance，全局負(fù)載均衡）技術(shù)來實現(xiàn)域名類型業(yè)務(wù)的前端雙活，同時提供DNS解析請求的負(fù)載均衡、服務(wù)器狀態(tài)監(jiān)控、用戶訪問路徑優(yōu)化的功能。[11]當(dāng)業(yè)務(wù)需要接入時，由全局負(fù)載均衡設(shè)備負(fù)責(zé)處理域名解析請求，它通過預(yù)先定義好的策略將最接近用戶的節(jié)點地址提供給用戶，使其可以得到快速的服務(wù)；同時全局負(fù)載均衡設(shè)備與分布在各數(shù)據(jù)中心的所有GSLB節(jié)點保持通訊，搜集各節(jié)點的健康狀態(tài)，以保證用戶的請求不會被分配到不可用的節(jié)點上。

（3）案例業(yè)務(wù)接入選擇方案

在廈門大學(xué)的業(yè)務(wù)接入選擇方案中，由于校內(nèi)的大部分關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)是基于域名訪問，因此筆者將這些關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)同時部署在三個校區(qū)數(shù)據(jù)中心的兩臺不同的服務(wù)器上，將同一中心內(nèi)的兩臺服務(wù)器部署于教育網(wǎng)和電信網(wǎng)兩個不同的運營網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)業(yè)務(wù)訪問的多路徑接入。采用DNS流量調(diào)度模式將來自不同運營網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)訪問通過智能DNS解析后接入到相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器上，實現(xiàn)業(yè)務(wù)訪問的最優(yōu)路徑選擇和流量的合理分配。具體如圖4所示。

圖4 廈門大學(xué)業(yè)務(wù)接入選擇方案

4.終端接入方式

網(wǎng)絡(luò)終端作為數(shù)據(jù)中心服務(wù)的末梢，其接入方式的研究目的是為了保證各業(yè)務(wù)部門能夠快速安全地接入“分布式多活”的核心網(wǎng)，同時兼顧業(yè)務(wù)部門內(nèi)網(wǎng)絡(luò)終端的靈活擴展。

“分布式多活”數(shù)據(jù)中心中業(yè)務(wù)部門內(nèi)部一般采用星型的組網(wǎng)模式，網(wǎng)絡(luò)終端以有線方式連入業(yè)務(wù)部門的網(wǎng)絡(luò)交換中心，再向上接入核心環(huán)網(wǎng)。星型組網(wǎng)模式的終端擴展性較好，終端的增加和移除不會對整個架構(gòu)造成影響。

在廈門大學(xué)的終端接入方式設(shè)計當(dāng)中，筆者將學(xué)校各關(guān)鍵業(yè)務(wù)部門設(shè)為一級分節(jié)點，向上就近接入核心環(huán)網(wǎng)，向下連接至部門內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)終端。一級分節(jié)點內(nèi)采用星型組網(wǎng)模式以保證網(wǎng)絡(luò)終端良好的擴展性。將各關(guān)鍵業(yè)務(wù)部門的網(wǎng)絡(luò)交換中心設(shè)為一級分節(jié)點的核心區(qū)域，各個終端作為邊緣區(qū)域；核心區(qū)域負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)交換，只提供高速轉(zhuǎn)發(fā)功能，安全控制在邊緣區(qū)域中實現(xiàn)。在各個終端預(yù)設(shè)好路由策略對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行分流并配置QoS策略以保證業(yè)務(wù)的可用性。具體如圖5所示。

圖5 關(guān)鍵業(yè)務(wù)部門內(nèi)部星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

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（編輯:王天鵬）

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1673-8454（2015）13-0069-04