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傳統網絡設備已無法處理龐大數據流量

在2011年的一個清晨，全球最受歡迎的社交網絡Facebook的一名工程師按下了一個按鈕，結果讓該公司的整個業務陷入癱瘓。

這個不知姓甚名誰的工程師本不該犯錯的。他原本只是想運行這個社交網絡巨頭一直在運行的某項軟件任務。他運行了分布式數據分析平臺Hadoop。結果，Facebook開始分析數億個用戶產生的數據。這些數據儲存在該公司多個數據中心的上萬臺服務器上。當你分析這些數據時，所有那些服務器之間就必須開始相互對話。

據Facebook員工多恩-李（Donn Lee）在去年春季的一次會議上回憶該事故時稱，一次Hadoop任務就讓該公司的電腦網絡感到不堪重負，并導致其他的業務幾乎處于停滯狀態。“我清楚地記得那個早晨?！崩钫f，“它讓Facebook陷入了癱瘓，非常嚴重的癱瘓。”

李當時是Facebook的網絡工程師，他試圖說明電腦網絡在近些年的變化。在過去，大多數網絡數據流量在服務器和試圖訪問網頁的互聯網用戶之間來回傳輸。但是現在，隨著像Facebook、谷歌和亞馬遜這樣越來越龐大和復雜的業務出現，數據中心內部和服務器之間的數據流量增加了，這些網絡巨頭使用的傳統網絡設備已無法處理這么多的流量。

因此，網絡正在發生與時俱進的變化。像Facebook和谷歌這樣的公司正在打造更高速的網絡硬件，他們正在重新修改其網絡的拓撲，以適應服務器之間傳輸的超大流量。但是，這樣的改進措施作用并不明顯。像多恩-李這樣的網絡專家也開始考慮在數據中心配置全新的網絡設備——可用光束傳播數據的設備。

電子和光纖網絡并駕齊驅

是的，某些互聯網數據已開始以光的形式來進行傳輸了。這就是光纖網絡。標準的電子信號被轉換成了光子，并沿著玻璃光纖電纜進行傳輸。但是，在通常情況下，這種數據傳輸方式通常發生在數據中心之間，而很少發生在數據中心內部。下一步就是緊盯著光纖來重新打造數據中心網絡，讓傳統的電子網絡交換機與可極大加快服務器之間數據傳輸速度的光纖交換機并駕齊驅。

“如果我們能夠做到這一點，這種混合型的網絡——可適應更多數據流量的大規模網絡——就非常具有吸引力?！泵绹永Ｄ醽喆髮W神迭戈分校的光線網絡研究員喬治-帕彭（George Papen）說，“我們現在還沒有達到這一步，但是我們比以前更接近了。”

帕彭所在的該校區的研發團隊已開發出了這樣的混合型網絡，該網絡目前尚處于測試階段，可演示光纖交換機的工作原理。他們的這個研究項目，通常被稱為Helios，是由谷歌和其他技術巨頭資助的。該項目的主要研究員之一亞敏-法達特（Amin Vahdat）目前在谷歌任職，他在谷歌也在積極地探索類似的研究課題；該團隊的另一名成員內森-法靈頓（Nathan Farrington），已加入了Facebook的團隊。

據帕彭稱，Helios項目要完全得以實現還有很長的路要走。但是，在美國馬薩諸塞州劍橋，一家名為Plexxi的創業公司最近推出了一款光纖網絡交換機，旨在重新打造數據中心。雖然這項技術完全不同于Helios，但是它們具有相同的基本目標。

“光子交換的功能非常強大。一旦你的業務涉足光纖交換領域，而不是電子交換領域，你就會擁有內在的性能上的優勢。”Plexxi公司CEO大衛-胡薩克（Dave Husak）說，“我們都致力于達到那樣的效果。”

未來的Helios項目

如果谷歌讓亞敏-法達特來重新打造它的數據中心，那么這將是一件很有意義的事情。法達特以前就做過類似的事情。

從傳統上來說，網絡是分層級的。如果你將服務器歸為一個層級，那么在這個層級之上的就是網絡交換機，你需要將這些服務器與網絡交換機連接。然后，你將這些“高一層級的交換機”與更高層次的高速網絡設備連接；再接下來，你將這二層次的網絡設備與第三個更高層次的網絡設備連接。當你到達網絡核心時，你運行的非常昂貴的網絡硬件速度遠遠超過了服務器層級上的交換機。

你需要這種更快的速度來適應所有來自于網絡的流量——這或許是我們以前的看法。法達特及其同事證明，這種層級結構是錯誤的。如果你使用速度一般的、更廉價的網絡設備，你就可能更高效地運行你的網絡。

“這是一個革命。”帕彭說，“在此之前，人們就像建造電信網絡那樣來打造他們的數據中心。但是，法達特的研究團隊意識到這樣做難以節省成本，他們證明了你可以用完全不同的方式來打造數據中心?！?/P>

這種統一的網絡架構被稱為“胖樹”（fat tree）架構設計。它現在已成為大型網絡業務的普遍形式。這就是為什么像谷歌這樣的公司已開始放棄思科等公司的昂貴設備，轉而從亞洲制造公司那里購買低成本的硬件。但是，Helios項目（法達特也有份參與），致力于創造更大的變化。

基本的思想就是建造一半電子一半光纖的混合型網絡。這種網絡既能夠像現有的電子網絡一樣運行，以電子的形式通過銅線和硅來傳輸數據，也能夠通過光纖交換機在不同服務器之間傳輸某些數據。

今天，一些網絡已開始使用光纖纜線在不同交換機之間或服務器與交換機之間傳輸數據。但是，一旦光子到達交換機，它們就會被轉換成電子。在Helios項目中，基本的想法是打造一個真正的光纖網絡，從而消除傳統電子網絡的負擔。

從某種意義上來說，這個項目將會回到未來。今天的網絡使用所謂的“封包交換”（packet-switching）來回傳輸數據，在輸出數據前先將它們分解成更小的信息流。這就是互聯網的運行方式。但是，Helios項目的光纖部分使用的是“電路交換”（circuit-switching），可在兩個端點之間建立專門的聯系。這就是老式手機網絡的運行方式。

“只要看看數據中心的每個封包，你就會發現它并沒有高效地使用你的資源?！迸僚碚f，“如果你能夠明白，哪怕是部分明白，數據流量的傳輸方向，你就不必查看每個封包的每個集管，你就能夠創造一個專門的電路來傳輸大量數據，而不必讓其通過封包交換的網絡?！?/P>

帕彭將此比喻為一個可解決洛杉磯交通擁堵的系統——只要在該城市擁堵的地方臨時搭建幾座橋梁即可。“你會根據需要放下這座橋梁，疏通堵塞地方的車流；然后，在未來某個時候，將這個橋梁移到交通堵塞的其他地方?！彼f。

這種構造非常具有吸引力，因為光纖電路交換網絡比傳統的設計更加靈活。傳統網絡交換機是為特定的數據傳輸速度設定的：每秒10G，40G，等等。但是，光纖交換機則不同。“電路是一個管道，它不在乎數據傳輸速度是多少。它是速度不可知論者?！彼f，“你幾乎能夠在上面傳輸任何速度的數據。這一點是非常具有吸引力的?！?/P>

雖然這種架構要變成現實的數據中心還有很長的路要走，但是帕彭相信它最終將會實現。“真正的技巧是弄明白黃金分割點?！彼f，“哪些流量需要在現有的網絡上傳輸，哪些數據需要轉到電路交換網絡上？”于是，這就出現了成本的問題。光學硬件比電子設備的成本更高，盡管它的成本正在下降。

法達特和谷歌的研究很可能已接近現實，但是帕彭強調說，就連他自己也不知道谷歌將會怎么做?！拔以诖笮蛿祿行挠泻芏喔愎饫w的朋友，盡管如此，我仍然不知道他們準備做什么。”他說。

就谷歌而言，它最重要的競爭優勢就是其內部架構的設計。谷歌甚至對它資助的外部研究者也不愿透露這種設計。法達特并沒有對記者要求采訪的請求作出回應，谷歌的公關部門也拒絕討論該公司的光纖網絡研究。

但是，谷歌并不是唯一探索光纖交換未來的公司。這樣做的公司還有Facebook、思科、IBM和現在的Plexxi公司。

光纖網絡的前景

Helios項目將整個網絡一分為二——其中的一半由電子交換機驅動，而另一半則是靠光學硬件來驅動；而Plexxi公司則將電子和光纖網絡整合到了一個交換機中。這一裝置在去年的晚些時候才正式地向世人公布，而且至少有一家公司（云服務公司Cloud Sigma）正在其實時數據中心使用這種交換機。

你將這些交換機串在一起，盡管他們可以繼續通過電子網絡傳輸其中的某些數據，但是你也可以在特定的端點之間直接創建光纖連接——在這些端點之間，你可以用光纖連接來傳輸非常龐大的數據。一根光纖電纜將這些交換機連接起來。但是在這根電纜上，你可以使用不同波長的光在兩個特定的交換機之間建立連接，這些連接可以免受來自網絡其他部分的數據流的干擾。

與帕彭類似，Plexxi公司的首席執行官胡薩克用高速公路來比喻這一技術?！霸趥鹘y的網絡上，電纜往哪走你就得跟著往哪發送數據。這就是所謂的高速公路網。瀝青鋪到哪你就跟到哪。”他說，“而對于Plexxi公司，從某種程度上講，你可以隨意自己鋪路。如果證明是兩個地方彼此之間想要進行大量的數據傳輸，那么我們可以直接在它們之間創建光纖通道?！?/P>

但是，Plexxi公司并不使用電路交換技術。在進軍光纖領域時，它堅持使用封包交換。而且它也不會通過搭建橋梁來疏導流量。它只是提供一個軟件控制器，讓你根據你自己正在運行的應用程序來搭建這些光纖路徑。

Plexxi公司的交換機的價格比一個普通的網絡開關大約要貴上一倍：前者的價格大約在7萬美元，而后者則只有3.5萬美元。但是根據CloudSigma公司網絡負責人亞歷山大-伊萬諾夫（Alexander Ivanov）的說法，你可以在其他方面來彌補多出的這一部分成本。該公司能夠用更少的網絡交換機來運行自己的網絡，而且該網絡更擅長于該公司數據中心內的來回傳輸的龐大數據流量——數據中心內部的數據傳輸叫做“東西流量”，數據中心之間的數據傳輸叫做“南北流量”。

你可以看出，東西流量的增加不僅對于谷歌、Facebook和其他許多依賴于分布式數據軟件的公司來說是一個問題，而且對于CloudSigma、亞馬遜和其他“云端”服務來說也是如此——這些服務為外部客戶提供計算能力。云服務同樣需要各個服務器之間進行大量的數據交流。

隨著所有這些業務的持續發展，電子網絡的局限性將只會帶來更多的問題。數據中心越大，服務器之間的距離就越遠，而它們之間的距離越遠，電子網絡連接就會變得越不穩定，會變得更麻煩。光纖網絡毫無疑問就是問題的解決辦法。問題在于它最快要何時才會出現。