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
。建站模板

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 ，服务器租用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 。高防服务器它们成本低廉 ，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。免费模板

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 ，源码下载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。​