再聊数据中心网络

前天，小枣君发了一篇关于数据中心网络的文章（链接）。很多读者留言，说没看明白。

本着“将通信科普到底”的原则，今天，我再继续聊一下这个话题。

故事还是要从头开始说起。

1973年夏天，两名年轻的科学家（温顿·瑟夫和罗伯特卡恩）开始致⼒于在新⽣的计算机⽹络中，寻找⼀种能够在不同机器之间进行通讯的⽅法。

不久后，在一本黄⾊的便签本上，他们画出了TCP/IP协议族的原型。

几乎在同时，施乐公司的梅特卡夫和博格思，发明了以太网（Ethernet）。

我们现在都知道，互联网的最早原型，是老美搞出来的ARPANET（阿帕网）。

ARPANET最开始用的协议超烂，满足不了计算节点规模增长的需求。于是，70年代末，大佬们将ARPANET的核心协议替换成了TCP/IP（1978年）。

进入80年代末，在TCP/IP技术的加持下，ARPANET迅速扩大，并衍生出了很多兄弟姐妹。这些兄弟姐妹互相连啊连啊，就变成了举世闻名的互联网。

可以说，TCP/IP技术和以太网技术，是互联网早期崛起的基石。它们成本低廉，结构简单，便于开发、部署，为计算机网络的普及做出了巨大贡献。

但是后来，随着网络规模的急剧膨胀，传统TCP/IP和以太网技术开始显现疲态，无法满足互联网大带宽、高速率的发展需求。

最开始出现问题的，是存储。

早期的存储，大家都知道，就是机器内置硬盘，通过IDE、SCSI、SAS等接口，把硬盘连到主板上，通过主板上的总线（BUS），实现CPU、内存对硬盘数据的存取。

后来，存储容量需求越来越大，再加上安全备份的考虑（需要有RAID1/RAID5），硬盘数量越来越多，若干个硬盘搞不定，服务器内部也放不下。于是，就有了磁阵。

磁阵，磁盘阵列

磁阵就是专门放磁盘的设备，一口子插几十块那种。

硬盘数据存取，一直都是服务器的瓶颈。开始的时候，用的是网线或专用电缆连接服务器和磁阵，很快发现不够用。于是，就开始用光纤。这就是FC通道（Fibre Channel，光纤通道）。

2000年左右，光纤通道还是比较高大上的技术，成本不低。

当时，公共通信网络（骨干网）的光纤技术处于在SDH 155M、622M的阶段，2.5G的SDH和波分技术才刚起步，没有普及。后来，光纤才开始爆发，容量开始迅速跃升，向10G（2003）、40G（2010）、100G（2010）、400G（现在）的方向发展。

光纤不能用于数据中心的普通网络，那就只能继续用网线，还有以太网。

好在那时服务器之间的通信要求还没有那么高。100M和1000M的网线，勉强能满足一般业务的需求。2008年左右，以太网的速率才勉强达到了1Gbps的标准。

2010年后，又出幺蛾子。

除了存储之外，因为云计算、图形处理、人工智能、超算还有比特币等乱七八糟的原因，人们开始盯上了算力。

摩尔定律的逐渐疲软，已经无法支持CPU算力的提升需求。牙膏越来越难挤，于是，GPU开始崛起。使用显卡的GPU处理器进行计算，成为了行业的主流趋势。

得益于AI的高速发展，各大企业还搞出了AI芯片、APU、xPU啊各自五花八门的算力板卡。

算力极速膨胀（100倍以上），带来的直接后果，就是服务器数据吞吐量的指数级增加。

除了AI带来的变态算力需求之外，数据中心还有一个显著的变化趋势，那就是服务器和服务器之间的数据流量急剧增加。

互联网高速发展、用户数猛涨，传统的集中式计算架构无法满足需求，开始转变为分布式架构。

举例来说，现在618，大家都在血拼。百八十个用户，一台服务器就可以，千万级亿级，肯定不行了。所以，有了分布式架构，把一个服务，放在N个服务器上，分开算。

分布式架构下，服务器之间的数据流量大大增加了。数据中心内部互联网络的流量压力陡增，数据中心与数据中心之间也是一样。

这些横向（专业术语叫东西向）的数据报文，有时候还特别大，一些图形处理的数据，包大小甚至是Gb级别。

综上原因，传统以太网根本搞不定这么大的数据传输带宽和时延（高性能计算，对时延要求极高）需求。所以，少数厂家就搞了一个私有协议的专用网络通道技术，也就是Infiniband网络（直译为“无限带宽”技术，缩写为IB）。

FC vs IB vs 以太网

IB技术时延极低，但是造价成本高，而且维护复杂，和现有技术都不兼容。所以，和FC技术一样，只在特殊的需求下使用。

算力高速发展的同时，硬盘不甘寂寞，搞出了SSD固态硬盘，取代机械硬盘。内存嘛，从DDR到DDR2、DDR3、DDR4甚至DDR5，也是一个劲的猥琐发育，增加频率，增加带宽。

处理器、硬盘和内存的能力爆发，最终把压力转嫁到了网卡和网络身上。

学过计算机网络基础的同学都知道，传统以太网是基于“载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）”的机制，极容易产生拥塞，导致动态时延升高，还经常发生丢包。

TCP/IP协议的话，服役时间实在太长，都40多年的老技术了，毛病一大堆。

举例来说，TCP协议栈在接收/发送报文时，内核需要做多次上下文切换，每次切换需要耗费5us~10us左右的时延。另外，还需要至少三次的数据拷贝和依赖CPU进行协议封装。

这些协议处理时延加起来，虽然看上去不大，十几微秒，但对高性能计算来说，是无法忍受的。

除了时延问题外，TCP/IP网络需要主机CPU多次参与协议栈内存拷贝。网络规模越大，带宽越高，CPU在收发数据时的调度负担就越大，导致CPU持续高负载。

按照业界测算数据：每传输1bit数据需要耗费1Hz的CPU，那么当网络带宽达到25G以上（满载）的时候，CPU要消费25GHz的算力，用于处理网络。大家可以看看自己的电脑CPU，工作频率是多少。

那么，是不是干脆直接换个网络技术就行呢？

不是不行，是难度太大。

CPU、硬盘和内存，都是服务器内部硬件，换了就换了，和外部无关。

但是通信网络技术，是外部互联技术，是要大家协商一起换的。我换了，你没换，网络就嗝屁了。

全世界互联网同时统一切换技术协议，你觉得可不可能？

不可能。所以，就像现在IPv6替换IPv4，就是循序渐进，先双栈（同时支持v4和v6），然后再慢慢淘汰v4。

数据中心网络的物理通道，光纤替换网线，还稍微容易一点，先小规模换，再逐渐扩大。换了光纤后，网络的速度和带宽上的问题，得以逐渐缓解。

网卡能力不足的问题，也比较好解决。既然CPU算不过来，那网卡就自己算呗。于是，就有了现在很火的智能网卡。某种程度来说，这就是算力下沉。

搞5G核心网的同事应该很熟悉，5G核心网媒体面网元UPF，承担了无线侧上来的所有业务数据，压力极大。

现在，UPF网元就采用了智能网卡技术，由网卡自己进行协议处理，缓解CPU的压力，流量吞吐还更快。

如何解决数据中心通信网络架构的问题呢？专家们想了半天，还是决定硬着头皮换架构。他们从服务器内部通信架构的角度，重新设计一个方案。

在新方案里，应用程序的数据，不再经过CPU和复杂的操作系统，直接和网卡通信。

这就是新型的通信机制——RDMA（Remote Direct Memory Access，远程直接数据存取）。

RDMA相当于是一个“消灭中间商”的技术，或者说“走后门”技术。

RDMA的内核旁路机制，允许应用与网卡之间的直接数据读写，将服务器内的数据传输时延降低到接近1us。

同时，RDMA的内存零拷贝机制，允许接收端直接从发送端的内存读取数据，极大的减少了CPU的负担，提升CPU的效率。

RDMA的能力远远强于TCP/IP，逐渐成为主流的网络通信协议栈，将来一定会取代TCP/IP。

RDMA有两类网络承载方案，分别是专用InfiniBand和传统以太网络。

RDMA最早提出时，是承载在InfiniBand网络中。

但是，InfiniBand是一种封闭架构，交换机是特定厂家提供的专用产品，采用私有协议，无法兼容现网，加上对运维的要求过于复杂，并不是用户的合理选择。

于是，专家们打算把RDMA移植到以太网上。

比较尴尬的是，RDMA搭配传统以太网，存在很大问题。

RDMA对丢包率要求极高。0.1%的丢包率，将导致RDMA吞吐率急剧下降。2%的丢包率，将使得RDMA的吞吐率下降为0。

InfiniBand网络虽然贵，但是可以实现无损无丢包。所以RDMA搭配InfiniBand，不需要设计完善的丢包保护机制。

现在好了，换到传统以太网环境，以太网的人生态度就是两个字——“摆烂”。以太网发包，采取的是“尽力而为”的原则，丢包是家常便饭，丢了就再传。

于是，专家们必须解决以太网的丢包问题，才能实现RDMA向以太网的移植。再于是，就有了前天文章提到的，华为的超融合数据中心网络智能无损技术。

说白了，就是让以太网做到零丢包，然后支撑RDMA。有了RDMA，就能实现超融合数据中心网络。

关于零丢包技术的细节，我不再赘述，大家看前天那篇文章（再给一遍链接：这里）。

值得一提的是，引入AI的网络智能无损技术是华为的首创，但超融合数据中心，是公共的概念。除了华为之外，别的厂家（例如深信服、联想等）也讲超融合数据中心，而且，这个概念在2017年就很热了。

什么叫超融合？

准确来说，超融合就是一张网络，通吃HPC高性能计算、存储和一般业务等多种业务类型。处理器、存储、通信，全部都是超融合管理的资源，大家平起平坐。

超融合不仅要在性能上满足这些低时延、大带宽的变态需求，还要有低成本，不能太贵，也不能太难维护。

未来，数据中心在整体网络架构上，就是叶脊网络一条路走到黑（到底什么是叶脊网络？）。路由交换调度上，SDN、IPv6、SRv6慢慢发展。微观架构上，RDMA技术发展，替换TCP/IP。物理层上，全光继续发展，400G、800G、1.2T…

我个人臆测，目前电层光层的混搭，最终会变成光的大一统。光通道到全光交叉之后，就是渗透到服务器内部，服务器主板不再是普通PCB，而是光纤背板。芯片和芯片之间，全光通道。芯片内部，搞不好也是光。

光通道是王道

路由调度上，以后都是AI的天下，网络流量啊协议啊全部都是AI接管，不需要人为干预。大量的通信工程师下岗。

好了，关于数据中心通信网络的介绍就是这么多。不知道大家这次有没有看明白？

没看明白的话，就再看一次。

—— The End ——

延伸阅读：

互联网究竟是怎么诞生的？

到底什么是叶脊网络（Spine-Leaf）？

什么是OXC（全光交叉）？

关于ROADM的入门科普

关于存储技术的最强入门科普