我们一起再聊数据中心网络

​本着“将通信科普到底”的再聊中心原则
 ，今天 ，数据我再继续聊一下这个话题。网络

故事还是再聊中心要从头开始说起 。

1973年夏天 ，数据两名年轻的网络科学家（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再聊中心⽅法。

不久后，数据在一本黄⾊的网络便签本上
，他们画出了TCP/IP协议族的再聊中心原型 。免费模板

几乎在同时，数据施乐公司的网络梅特卡夫和博格思，发明了以太网（Ethernet） 。再聊中心

我们现在都知道，数据互联网的网络最早原型，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，亿华云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
。云计算它们成本低廉 ，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，模板下载是存储。

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 。香港云服务器

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 ，高防服务器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 。

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。

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 。​

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