چهارشنبه , ۲ خرداد ۱۳۹۷

بازمعماری نسـل آينده مراكز داده

 

1025

مراكز داده به‌عنوان شبكه‌هاي كاملاً اتصال‌گرا (Connectivity Oriented) در حال تبديل شدن به شبكه‌هاي سرويس‌گرا (Service Oriented) هستند. اين پارادايم جديد باعث تغيير چارچوب و معماري شبكه‌ها شده و در طراحي و ساخت آن‌ها تغييراتي ايجاد مي‌كند. در پارادايم جديد به جاي لايه‌بندي سوئيچ‌ها و روترها، سعي مي‌شود با همگن‌سازي، پيكربندي‌هاي ساده و ايجاد قابليت‌هاي برنامه‌پذيري در مراكز‌داده تا حد ممكن از پيچيدگي اجزاي آن‌ها كاسته شود و ظرفيت‌هاي تازه‌اي پديد آيد.

 

بيشترين توجه و تمركز در مراكز داده جديد، روي تغيير الگوهاي ترافيكي است.  اتاق‌هاي سرور سنتي بيش‌تر متكي‌بر فناوري‌هاي مجازي‌سازي، تجهيزات ذخيره‌سازي NAS (سرنام Network-Attached Storage) و SAN (سرنام Storage -Area Network) بودند. اما در طرح‌هاي جديد تمركز روي تغيير مسيرهاي ترافيكي شمال به جنوب (North-South) و شرق به غرب (East-West) است. امنيت شبكه وجه ديگر مراكز داده جديد است. تمايل و گرايش به ايجاد يك امنيت سراسري و پويا در كل زيرساخت شبكه و مركز داده تحول بزرگ ديگري است. اين عوامل نيروهاي محركه‌اي هستند كه به سوي طراحي مراكز داده مؤثرتر، مقياس‌پذيرتر و مقرون‌به‌صرفه حركت كنيم.
بهترين روش براي دستيابي سريع و ساده به اين هدف رسيدن به يك مدل مشخص عملياتي با سرويس‌هاي هماهنگ‌تر است كه در نتيجه ما را به سمت بزرگ‌ترين تحول و انعطاف‌پذيري موجود، شبكه‌هاي نرم‌افزارمحور (Software-Defined Networking) هدايت مي‌كند. به‌كارگيري SDN و ديگر رويكردهاي جديد بزرگ‌ترين چالش در بازمعماري مراكز داده نسل آينده هستند كه مي‌خواهند شبكه‌ها را به سمت سرويس‌گرا بودن پيش ببرند. پيش از اين‌كه تشريح كنيم معماري شبكه‌هاي سرويس‌گرا (Services-Oriented Networking) چگونه موجب بهبود مقياس‌پذيري مي‌شوند، بهتر است با جنبه‌هاي كليدي مقیاس‌پذیری شبکه‌های مراکز داده امروزی آشنا شویم.

مقياس‌بندي مراكز داده امروزي
به‌طور سنتي مقياس‌بندي مراكز داده با ساختن يك زيرشبكه و افزودن يك دامنه جديد انجام می‌شد (شكل‌1). هر دامنه اختصاصي جوابگوي هدايت ترافيك در اجزاي خود است. لايه دوم شبكه نيز براي مديريت ترافيك‌هاي ورودي به دامنه مورد استفاده قرار مي‌گرفت. در لايه سوم كه مورد نياز شبكه‌هاي گسترده است و مقدمه‌اي بر اين‌گونه شبكه‌ها به شمار می‌رود، براي اتصال‌گرا بودن شبكه و بهره‌گيري از سرويس‌هاي مبتني‌بر ابر استفاده مي‌شود. لايه سوم پيچيدگي شبكه را بیش از پیش افزايش مي‌دهد و نيازمند سازگاري و انطباق اپراتورها، الزامات شبكه‌هاي گسترده، سرويس‌دهنده‌ها و شبكه‌هاي مراكز داده با يكديگر است.

در مراكز داده سنتي نيز همانند ديگر مدل‌هاي سلسله‌مراتبي اتصال‌گرا، نيازمند كار با اجزا و ترافيك‌هاي ثابت تعريف شده مانند كامپيوترها، تجهيزات ذخيره‌سازي و ديگر زيرساخت‌هاي هميشگي است. مدل‌هاي شبكه پياده‌سازي شده در اين مراكز داده از مدل معروف 7 لايه‌اي استفاده مي‌كند كه سوئيچ‌ها در لايه 2 تعريف مي‌شوند، مسيريابي در لايه 3 صورت مي‌گيرد و سرويس‌ها و برنامه‌هاي كاربردي در لايه 4 تا 7 جاي داده مي‌شوند.
با پویاترشدن بار کاری شبکه، معماري لايه‌بندي سنتي مراكز داده به‌خوبي كار نمي‌كند (بيش‌تر اوقات ضعيف است) مشكل اصلي نيز در بخش كنترل و مديريت است كه نياز به مستقل عمل كردن هريك از اجزاي يك زيردامنه و زيرشبكه است. در نتيجه نياز به تعداد بيشتري پروتكل با ارتباطات و تعاملات مشترك داريم تا بتوانند فرآیند كشف و انتشار ترافيك در شبكه را بهتر و پوياتر  انجام دهند.
با افزايش حجم اطلاعات، باركاري و ترافيك شبكه‌ها نيازمند پويايي بيشتري هستند، تا بتوان مراكز داده را با هزینه‌های کمتری مقیاس‌‌پذیر کرد. مجازي‌سازي سرور و سرويس‌هاي مبتني‌بر ابر دو راهكار معروف شناخته شده پيش پاي مديران IT براي افزايش پويايي ترافيك و باركاري شبكه‌ها هستند. حركت از باركاري ايستا به پويا در شبكه‌ها همین حالا هم اثرات و تغييراتي در مراكز داده ایجاد کرده است.
بیایید اثر تنها یکی از شیوه‌های مرسوم در این زمینه را بررسی کنیم: انتقال یک ماشین مجازی. هايپروايزرها براي این کار ابتدا بايد يك ماشين مجازي روي سرورهاي مقصد رزرو كنند، بعد ماشين مجازي را به آدرس مقصد جديد منتقل کنند و در آخر ماشين مجازي اوليه را غيرفعال كنند. اما هايپروايزرها در توليد و پخش سراسري ARP (سرنام Address Resolution Protocol) با سرعت كافي در شبكه‌هاي مجازي با مقیاس بزرگ ناتوان هستند. در نتيجه شاهد تراكم و انباشتگی سربار كنترل شبكه در هنگام مهاجرت ماشين‌هاي مجازي و پيام‌هاي خطا ARP خواهيم بود. چون رفتار شبكه به شدت متأثر از پيكربندي، جدول‌هاي مسيريابي و ديگر رفتارهاي ترافيکي است، بنابراين، به اين نتيجه مي‌رسيم كه شبكه‌هاي مراكز داده نيازمند معماري‌هاي مقياس‌‌پذیر بيشتري هستند.

شبكه‌هاي سرويس‌گرا
ساخت سرويس‌هاي هم‌پوشان كه بتوانند باركاري پويا را پشتيباني كنند، نيازمند تغيير در بخش‌هاي داده، كنترل و مديريت شبكه است. بخش داده نيازمند پشتيباني از تخصيص پوياي منابع است و لازم است بیش‌تر جریان محور شود. این رویکرد به آگاهی بیشتری در سطح برنامه‌کاربردی نیاز دارد و به منظور حفظ کارایی در زمان تغییر مقیاس شبکه مرکز داده ابزارهایی لازم خواهد بود که سرعت جریان بسته‌های داده را افزایش دهند.
همچنين سرويس‌هاي هم‌پوشان نيازمند تغيير در بخش‌هاي كنترل و مديريت هستند تا بتوان به صورت متمركز و انتها به انتها (End-to-End) عمليات‌هاي مسيريابي و Forwarding جريان داده‌ها را انجام دهند. اين قابليت به‌طور بالقوه به ابزارهاي كنترلي پيشرفته و بخش‌هاي مديريت پروكسي نیاز دارد.
لايه‌هاي واسط‌هاي برنامه‌نويسي نرم‌افزارهاي كاربردي (APIs) نيز به متمركز شدن و شبيه‌سازي ساده انواع توابع كنترلي و مديريتي نیاز دارند. اين توابع بايد از توپولوژي و سلسله‌مراتب شبكه مستقل باشند. شبكه‌هاي سرويس‌گرا SON در اولويت اضطراري معماري‌هاي نسل آينده شبكه‌ها هستند و نياز دارند هر جزء شبكه (NE) براي انجام عملكردهاي داده‌اي، كنترلي و مديريتي پوياتر و مستقل‌تر از مجموعه‌ سرويس‌هاي ساده و اوليه شبكه باشد. همان‌طور كه در شكل 2 نشان داده شده است، فورواردینگ داده، مهندسي ترافيك، وضعيت توزيع و مديريت بايد روي هر سرويس و هر جزء شبكه به صورت انتها به انتها پياده‌سازي و انجام شده باشد. نكته مهم، پنهان ماندن لايه‌هاي تفکيک‌شده و مجازي جديد ساخته شده از چشم توپولوژي فيزيكي و پروتكل‌هاي بنيادين شبكه است.

در معماري SON نمايش داده شده در شكل 2، زيرساخت هماهنگ و منظم سرويس‌ها قوانين كليدي را براي پشتيباني از باركاري پويا اجرا مي‌كند. يك هماهنگي مؤثر نيازمند مكانيزم‌هاي بازخوردگيري پويا از عملكرد اجزاي مستقل شبكه براي برنامه‌هاي كاربردي سرويسي مختلف است.
اين سناريو در شكل 3 قابل مشاهده است. مكانيزم‌هاي بازخوردگيري پويا نيازمند توسعه استانداردهاي جديد هستند كه اكنون به‌عنوان بخشي از SDN پي‌گيري مي‌شوند. انتظار مي‌رود SDN استانداردهاي برجسته‌اي را در شبكه‌هاي سرويس‌گرا بنا كند كه نتايج آن توانايي در بهره‌گيري از يك كنترلر و مديريت مركزي و لايه‌هاي هوشمند تفکيک‌شده و مجازي در شبكه باشد. مزيت عيني SDN براي SON حذف يا كوچك‌سازي سلسله‌مراتب قبلي در مدل لايه‌بندي شبكه ISO است كه به اجزاي شبكه ظرفيت پوياي بيش‌تر را مي‌دهد.
شكل 3 نشان مي‌دهد زيرساخت‌هاي مراكز داده نيازمند معماري شبكه‌هاي سرويس‌گرا و نیز نسل جدید تراشه‌های شبکه یا به اصطلاح «سيليكون هوشمند» (Smart Silicon) براي حفظ كارايي و مقياس‌پذيري هستند. براي مدل لايه‌‌بندي شبكه OSI قابليت‌هاي پيكربندي و مقياس‌پذيري از اهميت حياتي برخوردار است. همچنین، مجازي‌سازي (یا تقسیم منابع مختلف سخت‌افزاری در سطوح گوناگون) يك نياز بسيار مهم براي SON است.

عملكرد اجزاي شبكه در شبكه‌هاي SON از نظر امنيت، صف‌بندي، بازرسي عميق بسته، سوئيچينگ و… در هر سرويس حایز اهميت است و بايد معماري شبكه‌هاي مراكز داده اين قابليت‌ها را فراهم كند و بتواند ظرفيت‌ها و زيرساخت‌هاي لازم براي چنين کارهایی را در هر جزء شبكه فراهم کند. نسل آينده پردازنده‌هاي ارتباطي مانند محصولات خانواده LSI Axxia طوري طراحي و ساخته شده‌اند كه كارايي، مقياس‌پذيري خطي و قابليت برنامه‌پذيري را تضمين مي‌كنند. بسياري از اين پردازنده‌ها برمبنای پارادايم‌هاي جديد مطرح شده در مراكز داده ساخته شده‌اند.

ساخت اجزاي SDN هوشمند و سريع
در SDN به‌طور بالقوه قاعده برخورداري هر جزء شبكه از مهندسي ترافيك، فورواردینگ داده‌ها، وضعيت توزيع و دسترسي به سياست‌هاي مديريتي قبل از هر سرويس منتفي است. زیرا شركت‌هايي مانند LSI به طور انحصاري و كاملاً بسته با ديگر شركت‌هاي سازنده تجهيزات شبكه همكاري مي‌كنند و محصولات خاص و سفارشي براي استفاده در تجهيزات و راهكارهاي‌ نسل آينده‌شان مي‌سازند. بدون استثنا اين شركت‌ها به تطبيق‌پذيري و در سطح بيشتري هوشمندي براي يكپارچه شدن با ديگر محصولات و برندها نياز دارند. براي ايجاد قابليت برنامه‌پذيري اجزاي شبكه در SDN به استفاده از پردازنده‌هاي چند هسته‌اي با پشتيباني ذاتی توسط ارتباطات داخلي و سخت‌افزار پيشرفته مبتني‌بر مجازي‌سازي در سطح‌هاي مختلف تجهيزات نیاز داريم.
علاوه‌بر پردازنده‌هاي چند هسته‌اي، برای برخورداری از سطح معینی از کارایی به تراشه‌های هوشمند سیلیکونی SDN هم نیاز داریم. اين كارايي قطعي را تنها مي‌توان با استفاده از سخت‌افزارهاي خاص و تسريع‌كننده‌هاي ارتباطات داخلي (Interconnection) با پردازنده‌هاي شبكه تأمين کرد.
پيشرفت و توسعه فناوري‌هاي ساخت تراشه‌های سيليكونی توسط شركت‌ها اين امكان را فراهم مي‌كند كه بيش‌تر از گذشته بتوان از سرويس‌هاي ‌آگاه به سيليكون (Silicon-Aware) و موتورهاي تسريع‌دهنده با عملكردهاي خاص (همراه با پردازنده‌هاي مجهز به هسته‌هاي بيش‌تر) درون يك SoC به صورت يكپارچه استفاده كرد. به‌عنوان مثال‌هايي از اين موتورهاي تسريع‌كننده مي‌توان به بازرسي عميق بسته‌ها، كلاس‌بندي و پردازش بسته‌ها، رمزنگاري/رمزگشايي، پردازش سيگنال ديجيتالي، كدگذاري و مديريت ترافيك  اشاره كرد.

برخلاف گذشته، در حال حاضر، موتورهاي تسريع‌كننده سرويس‌ها به طور شبيه‌سازي قابل پياده‌سازي هستند كه مشكلي براي ديگر سرويس‌ها ايجاد نكرده و تأخير در شبكه را كاهش مي‌دهند و ترافيك اجزاي شبكه دچار اخلال نمي‌شود. پروتكل‌هاي SDN مانند OpenFlow نيازمند پردازنده‌هاي پيشرفته سيليكوني در سطح جريان داده هستند كه بتوانند به صورت چندگانه براساس فيلدهاي سرآيند بسته‌ها عمليات‌هاي تكراري را انجام دهند. براي دستيابي به يك کارت خط (Line Card) اجزاي شبكه پيشرفته نياز به پورت‌هاي سوئيچ‌ دستگاه‌هاي موازي داريم و بايد پردازش‌هاي هوشمندانه‌اي روي بسته‌ها انجام دهيم كه تنها با پروتكل‌هاي توسعه‌يافته‌اي مانند OpenFlow مقدور است.
در معماري‌هاي توزيعي مانند SDN بايد از آغاز سرورها و تجهيزات ذخيره‌سازي در شبكه توزيع شوند به طوري كه اجزاي شبكه به تمامي ظرفيت‌هاي موجود در شبكه دسترسي يابند. کارکرد اصلي در یک لاین کارت SDN پروكسي است كه بايد دستورات كنترلر مركزي را براي سوئيچ‌ها و روترها ترجمه كند. البته، ممكن است نيازمند توسعه ظرفيت‌هاي كارت‌هاي خطي با پروتكل‌ها و استانداردهاي جديدتري باشيم.

جمع‌بندی
سرازير شدن حجم زيادي از اطلاعات به سوي شبكه‌ها، مديران IT را مجبور به تغییر دادن مقياس‌ مراكز داده كرده است. همچنين تغييراتي در طراحي و معماري و بخش‌هاي مختلف مراكز داده مانند مجازي‌سازي سرورها، همگرايي بيش‌تر در تجهيزات ذخيره‌سازي NAS/SAN و استفاده از سرويس‌هاي ابري ايجاد كرده‌‌اند. اين تغييرات‌ها تماماً در راستاي سرويس‌گرا شدن مراكز داده و دستيابي به پويایي بيش‌تر است.
اين رويكردها نياز به معماري جديد براي مقياس‌پذيري بيش‌تر و كاهش هزينه‌ها دارند. معماري شبكه‌هاي سرويس‌گرا تغييراتي كه بايد در بخش‌هاي داده، كنترل و مديريت صورت ‌گيرد را تشريح مي‌كند تا اهداف موردنظر پوشش داده شوند. بخش داده بايد بيش‌تر آگاه به برنامه‌هاي كاربردي (Application Aware) و آگاه به جريان داده‌ها (Flow Aware) باشد. براي دستيابي به اين قابليت‌ها نياز به SDN هوشمند داريم تا بتوان ظرفيت‌هاي موجود را توسعه داد. بخش‌هاي كنترل و مديريت نيز بايد به‌طور خاص متمركز و مديريت مبتني‌بر سياست‌ها باشند.
همچنين اين بخش‌ها بايد از پيكربندي چندمستأجري (Multi-Tenancy) پشتيباني كنند تا انعطاف‌پذيري را بهبود ببخشند. بخش جديد سرويس نيز بايد تضمين كند كه كيفيت سرويس و سرويس‌هاي در حال اجرا به صورت پويا و براساس سياست‌هاي تعريف شده قابل تغيير ارائه مي‌شوند. در نتيجه اين تغييرات، شبكه‌هاي مراكز داده نسبت به معماري اتصال‌گرا سريع‌تر، مقرون‌به‌صرفه، متنوع‌تر و مقياس‌پذيرتر مي‌شوند و اين دقيقاً همان چيزي است كه مديران IT براي مواجه با حجم زياد اطلاعات نياز دارند.

منبع : ماهنامه شبکه

Print Friendly, PDF & Email

جوابی بنویسید

ایمیل شما نشر نخواهد شدخانه های ضروری نشانه گذاری شده است. *

*