揭秘阿里云HAIL數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡

HAIL是阿里云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡架構的代號，取自High Availability（高可用），Intelligence（智能化），and Low Latency（低延時），代表著阿里云構建數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的理念。

本文帶大家探秘阿里云HAIL數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡，也展望數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的未來。

數(shù)據(jù)中心誕生之前，網(wǎng)絡主要用于全球互聯(lián)，以及企業(yè)內(nèi)部的組網(wǎng)互通，俗稱公網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)。初期的數(shù)據(jù)中心基于服務傳統(tǒng)企業(yè)網(wǎng)的技術進行構建，逐漸發(fā)展成為一個獨立的場景?；ヂ?lián)網(wǎng)和云計算公司為了向公眾提供互聯(lián)網(wǎng)服務（如媒體信息、通信交流、搜索查閱、網(wǎng)上購物等），需要自身具備服務全國甚至全球用戶的計算、存儲和網(wǎng)絡互聯(lián)能力，這要求后端技術平臺能夠處理高并發(fā)的請求，內(nèi)部系統(tǒng)則要對數(shù)據(jù)進行快速的存儲、計算、搜索，再經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)絡將結(jié)果輸出給用戶。這種模型對互聯(lián)網(wǎng)和云計算的集中化算力能力提出了更高的要求，數(shù)據(jù)中心的場景也隨之誕生。

初期的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡采用企業(yè)級的網(wǎng)絡設備進行數(shù)據(jù)中心組網(wǎng)，如VPC、堆疊，大的二層域和OSPF路由協(xié)議等。這些網(wǎng)絡技術在較小的組網(wǎng)規(guī)模條件下并不會出現(xiàn)太大的問題，但伴隨著互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心的算力規(guī)模越來越大，企業(yè)級的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡技術就面臨著性能、穩(wěn)定性、大規(guī)模運營等方面的挑戰(zhàn)。

自2017年，阿里云進入分布式大規(guī)模數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡階段，取名HAIL架構，用“Highly Availability，Intelligence，and Low-latency”描述數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的核心理念。

同一時期，為了進一步自主掌控數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡技術棧，為產(chǎn)品打造更高效穩(wěn)定的網(wǎng)絡基礎設施，阿里云開始了全自研體系的設計和研發(fā)。HAIL DC5.2是第一代采用全自研交換機和光互聯(lián)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡架構，通過單芯片自研盒式設備來構建多平面scale out（橫向可擴展）的分布式數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡。

近年來，隨著計算、存儲、網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡不但要求“穩(wěn)定的連通性”和“足夠的帶寬”，而且對“低時延”和“可預期網(wǎng)絡結(jié)果”的訴求也越來越明顯。

新的計算模型，以容器為基礎的云原生技術以應用為中心，圍繞應用來構建彈性、簡單復制、高效運維的基礎設施能力，對網(wǎng)絡的要求是“彈性”和“密度”，這看似對網(wǎng)絡的依賴不是很明顯，實際上云原生的形態(tài)要求云基礎設施呈現(xiàn)為更廣義的池化形態(tài)，使得云原生的計算、存儲、網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)庫等系統(tǒng)可以屏蔽對底層基礎設施的功能感知，這也越來越要求網(wǎng)絡與容器的融合能力提升，云原生的網(wǎng)絡卸載加速會成為未來數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的基礎能力。

從“大規(guī)模算力互聯(lián)”角度來看數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡未來的發(fā)展趨勢：

網(wǎng)絡芯片的摩爾演進將進一步提升吞吐性能，這并不單單是通用計算的網(wǎng)絡需求曲線延續(xù)（實際上通用計算對網(wǎng)絡增長的需求在放緩，而異構計算仍需求強烈），還包括網(wǎng)絡自身降低單位吞吐成本的目標。在這個過程中會遇到芯片技術、供應生態(tài)、成本等方面的挑戰(zhàn)，業(yè)界會形成新的應對方式。

低時延轉(zhuǎn)發(fā)會是高性能計算、AI、存儲和數(shù)據(jù)庫等池化場景的競爭力核心，這需要端到端網(wǎng)絡的全棧創(chuàng)新，從協(xié)議到流控再到網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)。高性能計算、AI相對特殊，需要有獨立的拓撲設計乃至于特定的轉(zhuǎn)發(fā)芯片，這種低時延轉(zhuǎn)發(fā)不是一個絕大多數(shù)場景的趨勢和訴求，但這方面的創(chuàng)新會引領帶動其他通用場景的技術演進，發(fā)揮“特定場景創(chuàng)新傳導給通用場景”的創(chuàng)新效應。

以太網(wǎng)最初以“best-effort”這種簡單粗暴的方式脫穎而出成為主流，將流控、丟包處理等工作交給靈活的端側(cè)軟件，通過端到端的機制來實現(xiàn)，以太網(wǎng)自己則專注于轉(zhuǎn)發(fā)，這使得以太網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)能力一騎絕塵，從全局來看這是一種“最經(jīng)濟”的分工模式。然而，隨著上文提到的技術趨勢越來越明顯，以太網(wǎng)的“盡力而為”將會成為一些場景下的短板，如何基于以太網(wǎng)實現(xiàn)“可預期”的網(wǎng)絡服務，是網(wǎng)絡發(fā)展的關鍵命題?？深A期網(wǎng)絡意味著應用對于網(wǎng)絡的行為結(jié)果有相對可控的預期，并基于這個預期來設計應用系統(tǒng)，這會讓應用架構更簡單。就好比交通出行，對于中長途旅行，選擇飛機雖時間短但存在較大延誤風險，選擇汽車可有大致可控的范圍但旅途時間長，而高鐵是準時發(fā)車準時抵達，時間相對短且誤差最小，不必擔心因為行程耽誤某個重要會議，這使得整個社會在時間效率上可以做到更好?？深A期網(wǎng)絡的理念即是如此，讓應用更簡單，效率更高。

可預期網(wǎng)絡，首先要做的是實現(xiàn)技術棧的自主掌控。阿里云已經(jīng)實現(xiàn)了基于自研的網(wǎng)卡、交換機、光互聯(lián)來構建自主掌控的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡，這使得底層網(wǎng)絡變得穩(wěn)定可控。剛剛過去的云棲大會上，阿里云發(fā)布了多項可預期網(wǎng)絡新品，其中的關鍵因素是技術棧的自主掌控。

阿里云提出協(xié)同設計（下圖）的架構理念來實現(xiàn)端到端的可預期網(wǎng)絡。對云計算系統(tǒng)而言，網(wǎng)絡是整體系統(tǒng)設計中的一環(huán)，基于協(xié)同設計的理念，我們通過網(wǎng)絡與應用的協(xié)同設計、端側(cè)網(wǎng)絡與交換網(wǎng)絡的協(xié)同設計、網(wǎng)絡架構創(chuàng)新升級三個方面來實現(xiàn)可預期網(wǎng)絡，近年來阿里云基礎設施網(wǎng)絡團隊已經(jīng)在這三個方面已經(jīng)取得了很多研究研發(fā)成果，大部分技術也已經(jīng)實現(xiàn)了規(guī)模部署。