استكشاف مراكز بيانات الإنترنت: تطور DCN

تطور الطلب على شبكة مراكز البيانات (DCN).

تعد الشبكة مكونًا حاسمًا في البنية التحتية لتكنولوجيا المعلومات، حيث تعمل كأساس يربط جميع موارد طبقة IaaS لتقديم الخدمات. في عصر البيانات، جوهر الحوسبة السحابية والبيانات الضخمة والذكاء الاصطناعي هو البيانات نفسها، حيث تعمل الشبكة بمثابة الطريق السريع عالي السرعة الذي يحمل تدفق البيانات.

شهدت شبكات مراكز البيانات تغييرات ملحوظة على مدى العقد الماضي، حيث تطورت من مراكز البيانات الصارمة والموحدة للصناعة المالية إلى شركات الإنترنت الحالية التي تقود الموجة التكنولوجية.

واليوم، ومع التطور السريع للتقنيات السحابية الأصلية، والتي تشمل أكثر من 200 مشروع، فقد حدث تحول في تطوير التطبيقات ونشرها وتشغيلها وصيانتها. تم إنشاء العديد من أنظمة التطبيقات باستخدام التقنيات السحابية الأصلية، حيث تعمل الحاويات كأصغر وحدة من عبء عمل الأعمال، وتتميز بالسرعة والاتساق وقدرات النسخ المتماثل والتوسع القوية. المجموعات المكونة من العديد من الحاويات تتجاوز بكثير العدد الموجود في الأجهزة الافتراضية. بالإضافة إلى ذلك، أدت آليات تخصيص الموارد الدقيقة واستراتيجيات توزيع الموثوقية إلى زيادة تكرار الاتصال والتفاعل عبر العقد بين حاويات الأعمال ومكونات النظام الموزعة المختلفة. وتعتمد هذه على شبكات خارجية لتوفير إعادة توجيه موثوقة وشاملة، مما يزيد من المتطلبات العالية للتحكم في حركة المرور والتصور.

علاوة على ذلك، مع الاعتماد الواسع النطاق للبيانات الضخمة وتقنيات الذكاء الاصطناعي، تم تطبيق الأنظمة القائمة على هذه التقنيات، مثل محركات التوصية، والبحث عن الصور والتعرف عليها، والتفاعل الصوتي، والترجمة الآلية، على نطاق واسع. أصبحت البيانات الضخمة والذكاء الاصطناعي أدوات حيوية لإدارة الأعمال والمنافسة في السوق، حيث يتم تخزين كميات هائلة من البيانات للتحليل والتنقيب. بدءًا من معالجة البيانات والتدريب النموذجي (التعلم الآلي/التعلم العميق) إلى الخدمات عبر الإنترنت، تعتمد كل خطوة على الحوسبة القوية والبيانات الضخمة، مما يزيد من استهلاك الموارد الحسابية والتخزينية. وقد أدى ذلك إلى تطور بناء مراكز البيانات نحو النطاق الكبير والواسع للغاية، مع نمو نطاق الشبكة المصاحب أيضًا، مما يجعل أتمتة الشبكة والتشغيل الذكي أمرًا ضروريًا.

أخيرًا، من المهم الإشارة إلى النمو الهائل لمقاطع الفيديو الطويلة والقصيرة، والبث المباشر، والواقع الافتراضي/الواقع المعزز، وغيرها من وسائط بث الفيديو في العامين الماضيين. لقد اخترقت هذه الأجهزة مجالات مختلفة مثل الأخبار والتعليم والتسوق والتواصل الاجتماعي والسفر والترفيه بالألعاب، مع قاعدة مستخدمين واسعة ومدة استخدام عالية. إلى جانب الانتشار السريع لمحطات الجيل الخامس، تستمر توقعات المستخدمين لمقاطع الفيديو عالية الجودة وتجارب المشاهدة منخفضة الكمون في الارتفاع، مما يزيد من استهلاك النطاق الترددي للشبكة.

استجابة للاتجاهات المتغيرة في متطلبات الأعمال والتطور السريع لتكنولوجيا الشبكات، تسارعت أيضًا سرعة تكرار معدات شبكة مراكز البيانات. حالياً، مفاتيح مركز البيانات يتم تحديثها بجيل جديد من المنتجات كل عامين، وكل جيل جديد offتضاعف الأداء تقريبًا، وإنتاجية أعلى، وإدخالات جدول أكبر، والمزيد من الميزات، مع تحديد موضع الأدوار بشكل أكثر استهدافًا في الشبكة.

بفضل بيئة الصناعة الشاملة لبطاقات الشبكة والوحدات الضوئية من جانب الخادم، تطور عرض النطاق الترددي لروابط الوصول إلى مركز البيانات من 10 جيجا -> 25 جيجا -> 50 جيجا -> 100 جيجا -> 200 جيجا -> 400 جيجا، كما تطور عرض النطاق الترددي لرابط الاتصال البيني من 40 جرام -> 100 جرام -> 200 جرام -> 400 جرام -> 800 جرام. لقد تحول السيناريو الرئيسي من مجموعة التوصيل البيني 25G + 100G إلى مجموعة التوصيل البيني 100G + 400G الحالية. في سيناريوهات وحدة معالجة الرسومات، سيتم تطوير الوصول من 100 جيجا، و200 جيجا، إلى 400 جيجا، 800غ.

وبالنظر إلى السياق المذكور أعلاه والنظر إلى بنية الشبكة، فإن اختيار بنية شبكة DCN يتأثر بعدة عوامل مثل متطلبات العمل، والظروف التكنولوجية الحالية، وتكاليف المعدات، وتكاليف الإدارة، والاستثمار في الموارد البشرية. لا توجد بنية واحدة يمكنها تلبية جميع سيناريوهات واحتياجات العملاء؛ ويجب إجراء دراسة شاملة وتوازن قبل اتخاذ القرار.

بنية Clos ذات المستويين: مناسبة لمراكز البيانات الصغيرة والمتوسطة الحجم

تعد بنية Clos ذات المستويين واحدة من أقدم هياكل الشبكات وأكثرها تطبيقًا على نطاق واسع، ولا تزال الخيار المفضل للعديد من عملاء الصناعة حتى يومنا هذا. تلعب معدات الشبكة دورين فقط، مما يضمن مسارات قصيرة لإعادة توجيه البيانات، مع إمكانية الوصول عبر الأوراق خلال قفزة واحدة، و offتحقيق اتساق قوي في المسارات والكمون. يعمل نهج الوصول الموحد على تسهيل النشر والقياس الأفقي بشكل كبير، مثل نشر بروتوكولات BGP والتحكم في السياسة والصيانة الروتينية واستكشاف الأخطاء وإصلاحها. وهي مناسبة بشكل خاص للمؤسسات الصغيرة والمتوسطة الحجم التي لديها عدد أقل من الموظفين التشغيليين.

تفرض بنية Clos ذات المستويين متطلبات عالية على أداء وموثوقية محولات Spine، والتي تستخدم عادةً منتجات المحولات الأساسية القائمة على هيكل مركز البيانات. ومن خلال آليات إعادة توجيه الخلايا المتغيرة وآليات جدولة VoQ، فإنه يضمن التبديل الصارم غير المحظور داخل أجهزة Spine، ويتفوق تكوين ذاكرات التخزين المؤقت الكبيرة الموزعة بشكل طبيعي في التعامل مع تدفقات حركة المرور. تحتوي المحولات الأساسية القائمة على الهيكل على مستويات تحكم مستقلة، ومستويات توجيه، وأنظمة دعم، وتستخدم تصميمات زائدة عن الحاجة، مما يجعل النظام بأكمله أكثر موثوقية بكثير من المحولات من النوع الصندوقي.

تعد بنية Clos ذات المستويين أكثر نضجًا في توافقها مع حلول التحكم التجارية في SDN. ومن خلال دمجه مع وحدة تحكم SDN، يمكنه إنشاء حلول تراكب الشبكة بسرعة استنادًا إلى EVPN، مما يقلل من تعقيد نشر سلاسل الخدمة بين الشرق والغرب والشمال والجنوب وتلبية طلب الشبكة لربط موارد الحوسبة الكاملة، مثل الأجهزة الافتراضية والأنظمة المعدنية العارية. والحاويات في سيناريوهات السحابة.

بالإضافة إلى ذلك، تعد هذه البنية مناسبة أيضًا للمؤسسات الكبيرة التي تنشر غرف التقارب وغرف الحافة في مواقع مختلفة لبناء شبكات حوسبة الحافة، مما يخفف من ضغط الشبكة الأساسية ويقلل من زمن وصول الوصول.

تستخدم الأشواك إما 2 أو 4 مفاتيح أساسية قائمة على الهيكل، وكل محول ورقي يحتوي على 4 وصلات صاعدة. ضمان نسبة تقارب 3:1 (10G Leaf مع 440G وصلات صاعدة، 4810G وصلات هابطة؛ 25G Leaf مع 4100G وصلات صاعدة، 4825G وصلات هابطة)، يمكن أن يصل مقياس الخادم المدعوم (وصلة صاعدة مزدوجة) إلى أكثر من 5000 و10000، على التوالي.

كما يتضح من الهيكل، فإن نطاق الشبكة، أو إمكانية التوسع الأفقي، لبنية Clos ذات المستويين محدودة بإجمالي عدد المنافذ التي توفرها أجهزة العمود الفقري (عدد الأجهزة * المنافذ لكل جهاز). نظرًا لأن عدد منافذ الوصلة الصاعدة على المفاتيح الورقية ثابت (عادةً 4-8)، فإن عدد مفاتيح الطبقة العمودية محدود أيضًا ولا يمكن زيادته بشكل مستمر.

بنية Clos ثلاثية الطبقات: مناسبة لمراكز البيانات واسعة النطاق وفائقة النطاق

لا يتجاوز حجم الخادم الذي تدعمه بنية Clos ذات المستويين بشكل عام 20,000 وحدة. يؤدي إدخال بنية Clos ثلاثية الطبقات إلى حل الاختناق في نطاق الشبكة الذي تمثله البنية ذات المستويين. تضيف بنية Clos ثلاثية الطبقات طبقة من مفاتيح التجميع (Pod Spine) بين الطبقتين الموجودتين. تشكل مجموعة مفاتيح Pod Spine، بالإضافة إلى جميع مفاتيح Leaf المتصلة، Pod. يتم ربط العديد من الكبسولات فيما بينها من خلال مفاتيح طبقة العمود الفقري لتكوين الشبكة بأكملها. تسمح زيادة عدد الكبسولات بالتوسع الأفقي للشبكة، مما يعزز بشكل كبير قدرتها على التوسع. علاوة على ذلك، نشر الخدمات عن طريق وحدة Pod offيوفر مرونة أكبر في التكيف مع احتياجات العمل المختلفة، وتوفير خدمات متميزة، وضمان العزلة.

داخل كل حاوية من بنية Clos ثلاثية الطبقات، يستخدم Pod Spine إما أربعة أو ثمانية محولات صندوقية عالية الكثافة 100G. يتم استخدام نصف منافذ Pod Spine للاتصال بالعمود الفقري لأعلى، والنصف الآخر للاتصال بالأسفل بمفاتيح Leaf. يحتوي كل مفتاح Leaf على أربعة أو ثمانية وصلات صاعدة. السيناريوهات النموذجية هي كما يلي:

السيناريو أ: يستخدم Pod Spine أربعة محولات من النوع الصندوقي ذات 64 منفذًا وسعة 100 جيجا (S9820-64H). يحتوي كل مفتاح Leaf على أربعة وصلات صاعدة. من خلال تقارب 3:1 داخل Pod (25G Leaf مع 4100G وصلات صاعدة و4825G وصلات هابطة)، يمكن لحجرة واحدة أن تدعم نطاق خادم يبلغ 768 وحدة مع وصلات صاعدة مزدوجة.

السيناريو ب: يستخدم Pod Spine ثمانية محولات من النوع الصندوقي ذات 128 منفذًا وسعة 100 جيجا بايت (S9820-8C). يحتوي كل مفتاح Leaf على ثمانية وصلات صاعدة. من خلال تقارب 1.5:1 داخل Pod (25G Leaf مع 8100G وصلات صاعدة و4825G وصلات هابطة)، يمكن للكبسولة الواحدة أن تدعم نطاق خادم يبلغ 1536 وحدة مع وصلات صاعدة مزدوجة. من خلال تقارب 1:1 (25G Leaf مع 8100G وصلات صاعدة و3225G وصلات هابطة)، يمكن للكبسولة الواحدة أن تدعم نطاق خادم يصل إلى 1024 وحدة مع وصلات صاعدة مزدوجة.

لقد سمح إدخال محول التجميع عالي الكثافة Pod Spine للمفاتيح الأساسية من النوع الحامل لطبقة Spine بتجاوز القيود، مما أتاح نشر عشرات الوحدات. يمكن استخدام إجمالي عدد المنافذ التي توفرها المحولات الأساسية من النوع الحامل لطبقة Spine لتوصيل العشرات من البودات، مما يسمح للشبكة بأكملها بدعم نطاق خادم يزيد عن 100,000 وحدة.

علاوة على ذلك، من خلال ضبط نسبة منافذ الوصلة الصاعدة والوصلة الهابطة داخل محولات Pod Spine، من الممكن تحديد نسبة التقارب لكل Pod بمرونة. وهذا لا يلبي احتياجات الأعمال المختلفة فحسب، بل يساعد أيضًا في تقليل التكاليف وتجنب الهدر غير الضروري.

بنية Clos متعددة الطبقات: مناسبة لمراكز البيانات واسعة النطاق وفائقة النطاق

تعد بنية الشبكات متعددة المستويات المستندة إلى أجهزة من النوع الصندوقي هي أحدث بنية تتبناها شركات الإنترنت الرائدة لإنشاء شبكات مراكز بيانات واسعة النطاق وفائقة النطاق. نشأت هذه البنية من F4 الخاص بفيسبوك. كان الجيلان من المحولات المستخدمة لبناء هذه الشبكة، وهما 6-pack وBackpack، يعتمدان على تصميم متعدد الرقائق (12 شريحة)، مما جعل الإدارة والنشر غير مريح ومكلف. مع التطور من F4 إلى F16، وبفضل التحسين في قدرات الشريحة، اعتمد محول Minipack المستخدم لبناء F16 تصميم شريحة واحدة، مما يقلل بشكل كبير من استهلاك الطاقة والتكلفة والحواجز التقنية. أصبح الحل أكثر نضجًا، ومنذ ذلك الحين، تم تقديم هذه البنية من قبل شركات الإنترنت في الصين.

تقدم الأوراق البحثية "مقدمة نسيج مركز البيانات، الجيل التالي من شبكة مركز بيانات فيسبوك" و"إعادة اختراع شبكة مركز بيانات فيسبوك" شرحًا تفصيليًا لهذه البنية. بالمقارنة مع بنية Clos ثلاثية الطبقات، فإن بنية الشبكات متعددة المستويات القائمة على الأجهزة من النوع الصندوقي تحل محل المحولات من النوع الحامل لطبقة العمود الفقري بمحولات من النوع الصندوقي، وبالتالي تتكون جميع طبقات الشبكة من محولات من النوع الصندوقي. فيما يتعلق باتصال الأجهزة، على عكس بنية Clos ثلاثية الطبقات حيث يحتاج كل Pod Spine إلى التشابك الكامل مع جميع محولات طبقة Spine، تقسم البنية الجديدة محولات طبقة Spine إلى مجموعات متعددة (يتوافق عدد المجموعات مع عدد Pod مفاتيح العمود الفقري في كل جراب). تشكل كل مجموعة من مفاتيح العمود الفقري مستوى (كما هو موضح في الشكل، تنقسم طبقة العمود الفقري إلى 8 مستويات، تتميز بألوان مختلفة)، ويحتاج كل مفتاح Pod Spine فقط إلى التشابك الكامل مع مفاتيح العمود الفقري في المستوى المقابل. يسمح هذا لطبقة العمود الفقري بأكملها بتوصيل المزيد من البودات، وبناء مركز بيانات واسع النطاق يدعم مئات الآلاف من الخوادم. علاوة على ذلك، مع تحسن أداء المحولات من النوع الصندوقي، يمكن لهذه البنية أن تستمر في توسيع قدرتها.

يمكن لمفتاح الهيكل الأساسي S12516X-AF مع لوحة خدمة 48G مجهزة بالكامل بـ 100 منفذًا، إلى جانب ستة محولات صندوقية S9820-8C مع 128 منفذًا بسعة 100G لكل منهما، توفير نفس العدد من 100غ الموانئ (768 في المجموع). ومع ذلك، اختيار الحل تبديل مربع offتتميز بالتكلفة الكبيرة واستهلاك الطاقة ومزايا تبديد الحرارة. كما أنه يلغي المتطلبات الخاصة لمساحة الخزانة وتوزيع الطاقة التي تتطلبها مفاتيح الهيكل الأساسية التقليدية.

نظرًا لأن كلاً من Spine وPod Spine يستخدمان معدات متطابقة مع وظائف متسقة وتأخير إعادة توجيه، فإنه يسهل تطوير ميزات جديدة ونشر سلس للتطبيقات عبر الشبكة بأكملها. علاوة على ذلك، يمكن للشبكة الانتقال بسلاسة من شبكة 100 جيجا إلى 200 جيجا، 400غ، والشبكات المستقبلية عالية السرعة متزامنة. علاوة على ذلك، نظرًا لتصميم الشريحة الواحدة، فإن طبقة العمود الفقري بأكملها التي تم إنشاؤها باستخدام مفاتيح صندوقية تظهر زمن وصول أقل بكثير لإعادة التوجيه مقارنة باستخدام أجهزة الهيكل، مما يقلل من زمن الوصول للوصول عبر البودات.

ومع ذلك، فإن هذه البنية تطرح تحديات جديدة. تكون كمية أجهزة طبقة العمود الفقري أعلى بكثير مما هي عليه عند استخدام مفاتيح الهيكل، وتكون الموثوقية الفردية للمحولات الصندوقية أقل من تلك الخاصة بمفاتيح الهيكل الأساسية، مما يشكل تحديات كبيرة لإدارة الشبكة والعمليات اليومية. يجب أن يكون دعم منصات الإدارة وأنظمة المراقبة والمزيد قابلاً للتكيف مع هذه التغييرات. وهذا يتطلب متطلبات متزايدة لفرق عمليات الشبكة، بما في ذلك قسم الموظفين المحسن، والخبرة التشغيلية الواسعة، والمهارات التقنية القوية، وقدرات تطوير النظام الأساسي، والتحكم الشامل في الشبكة لتخفيف وتقليل تأثير فشل المعدات والشبكة على العمليات التجارية.

تم تقديم معماريات شبكة DCN الثلاثة الأكثر شيوعًا أعلاه. تتطلب الإدارة الفعالة لهذه الشبكات استخدام تقنية تصور الشبكة. لا تتيح تقنية تصور الشبكة مراقبة حركة المرور من طرف إلى طرف، والتنبيه بالمخاطر، والمساعدة في استكشاف الأخطاء وإصلاحها فحسب، بل يمكنها أيضًا، من خلال تجميع البيانات وتحليلها، توجيه وتحسين تصميم بنية الشبكة لمراكز البيانات (مثل النماذج ونسب التقارب، ومقاييس POD)، مما يجعلها أداة تقنية حاسمة.

أصبحت تقنية تصور الشبكة استباقية وفعالة وذكية بشكل متزايد. على سبيل المثال، يتيح استخدام gRPC جمع المعلومات المتنوعة من الأجهزة في الوقت الفعلي وبدقة عالية. يمكن استخدام INT أو Telemetry Stream للحصول على المسار وزمن الوصول لنقل بيانات الأعمال في الشبكة. يتيح TCB مراقبة وحدات MMU الخاصة بالجهاز لالتقاط وقت فقدان حزمة قائمة الانتظار وأسبابها والحزم المهملة. يمكن لـ MOD اكتشاف فقدان الحزمة الذي يحدث أثناء عمليات إعادة توجيه الجهاز الداخلي والتقاط أسباب فقدان الحزمة وخصائص الحزم المهملة. يسمح تتبع الحزم بإجراء تحليل متعمق لمنطق إعادة التوجيه، ومحاكاة إعادة توجيه الحزم داخل الشرائح لتحديد الأسباب الجذرية للمشكلات.

في المستقبل، ستلعب بطاقات NIC الذكية دورًا مهمًا في شبكات DCN. لا تعمل بطاقات NIC الذكية ذات الإمكانات القابلة للبرمجة على تحرير موارد وحدة المعالجة المركزية وتحقيق إعادة توجيه عالية الأداء فحسب، بل أيضًا offوظائف مثل تغليف/إلغاء تغليف النفق، والتبديل الظاهري، والتشفير/فك التشفير، وRDMA، وما إلى ذلك. ومع تزايد سيناريوهات الأعمال ومتطلباتها، سيتم التعامل مع المزيد من وظائف مستوى البيانات من خلال بطاقات NIC الذكية، مما يكسر قيود التطبيقات المستندة إلى الخادم أو المحول. ويهدف هذا التحول إلى تحقيق التوازن المثالي بين الأداء والوظيفة والمرونة. ستحل بطاقات NIC الذكية محل محولات Leaf في الطرف الأبعد لشبكات DCN. وبالتالي، ستتغير بنية الشبكة، ونشر البروتوكول، وتكنولوجيا التصور، وما إلى ذلك مع إدخال بطاقات NIC الذكية، وتسهيل تحسين الأداء الشامل وضمان الخدمة، والكشف والمراقبة الشاملين، وتطبيق التقنيات الجديدة. مثل SRv6. سوف تتقدم شبكات DCN المستقبلية لتوفير خدمات شبكية أكثر استقرارًا وكفاءة ومرونة لشركات الطبقة العليا المتنوعة بشكل متزايد.