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浅析数据中心低延迟网络设备技术

网络延迟指一个数据包从用户的计算机发送到网站服务器,然后再立即从网站服务器返回用户计算机的来回时间。在这个过程中包括:计算机网卡、网络设备、链路、服务器组成部分,每个部分转发数据流量都要消耗时间,所有部分消耗的时间加起来就是延迟。延迟越低,自然网络性能越好,响应速度快。比如过年抢火车票,有人家里装了100M的带宽或者使用了4G手机,就容易抢到,因为骨干网上速度都差不多,但最后到个人用户那里就因网而异,响应速度快就要比别人先抢到。所以在游戏、证券期货交易、计算中心和很多科技公司等这些地方对网络延时是比较敏感的,就拿亚马逊来说,一旦网络有了100毫秒的延迟,就意味着它们可能会少卖掉1%的货物。谷歌搜索对网速也要求很高,搜索页面0.5秒的延迟可能就会导致网络流量20%的降幅。同样的,如果电子交易平台慢上五毫秒,那么一位证券经纪人可能每毫秒就少赚400万美元,这一结果实在是非常惊人,比别人慢几十毫秒都可能“失之毫厘,差之千里”。

想要缩短网络延迟,需要对每个部分都做提升。我们知道光纤理论上可以按照光速30万公里/秒传递数据,实际在光纤传输中能达到光速的70%,即超过20万公里/秒,这个速度也不慢,我们绕地球一周也才40万公里,这样就算计算机和访问的服务器位于地球上距离最远的两个位置,那延迟也不超过1秒。不过在计算机和服务器之间要经过很多网络设备,就算是服务器所在的数据中心内部,还是要经过层层的网络设备,才能到达最终的服务器。将这些网络设备的延时加起来,总延迟时间可就不短了。所以在一些特殊的行业,往往需要配置一些低延迟的网络设备,尽量减少网络上的延迟,以提升网络性能,尤其是处于这些科技、证券行业里的数据中心。

在网络技术还不发达的时代,网络是否可达是人们最为关心的事情,而现在人们更为关注的是网络体验,低延迟概念也是近几年才逐渐开始映入人们的眼帘,并迅速走红。如今,在很多数据中心的网络设备选型时,延迟已经成为一项必选项进行考核和测试,延迟大的设备将不能过关。网络设备主要分为路由器和交换机两大类,路由器采用的是CPU软件处理数据,延迟取决于CPU的处理速度,一般核心路由器的延迟会控制在1毫秒以内(无拥塞的情况下),而交换机采用的是专用的转发芯片处理数据,处理效率要高得多,一般是几个微妙到几十个微妙。思科早在2012年就推出了最低延迟的交换机Cisco Nexus 3548,其采用Algorithm Boost技术,专为支持高性能计算、高性能交易和大数据环境而设计。其在二三层网络转发中,延迟最低可至190纳秒,一下子将交换机的延迟降低了十多倍,这个数据直到2015年才被Exablaze打破,网络设备制造商Exablaze在其ExaLINK Fusion网络交换机上,实现了110纳秒的二层转发,为市场提供了更多的选择。去年来自悉尼的Metamako推出了超快速的交换机,将数据从交易所传送到电子交易商时,信息从一端传输到另一端仅仅需要4纳秒(相当于十亿分之四秒)左右,基本已经达到了传输极限。

翻开网络设备发展史,可能提供纳秒级数据处理的网络设备少之又少,之所以这样有三方面的原因:一是CPU芯片性能问题,CPU的速度很难满足纳秒级的数据处理,路由器的CPU已够强大,但是还是不能达到纳秒级的收发数据的速度,更谈不上还要对数据做计算处理,所以在路由器上根本没法实现;二是使用专用芯片的交换机,研发低延迟的芯片要耗费大量的人力、物力,甚至还无法最终研发出来,研发这类芯片的成本很高,所以专用芯片厂商更愿意将精力放在普通的通用芯片上,需求数量大、利润高;三是网络设备延迟达到微秒级,已经可以满足绝大部分业务的应用,所以低延迟的网络设备市场需求量很小,虽然思科在2012年早早推出了低延迟专用的交换机,但市场需求并不旺盛,而且这类交换机研发成本很高,自然销售的价格要比正常交换机高出不少,这也使很多数据中心客户转而选择其它普通类型的交换机。

网络设备虽然是数据传输过程中的重要组成部分,但不是全部,仅降低网络设备的延迟是不够的,需要对整个传输环节进行改善。虽然光纤传递部分已经很难有提升空间了,但在服务器和计算机两边的网卡上还有文章可做。现在服务器和计算机也推出了一些低延迟的网卡产品,将延迟降到了1微妙以下(一般是万兆网卡),依然还有提升空间。网络设备已经可以达到4纳秒了,如果服务器和计算机网卡不能大幅提升,即使用了4纳秒延时的网络设备也没有意义。只有将整个网络传输过程中每个部分延时都降低下来,才有意义。

降低数据中心网络延时是否重要?答案是肯定的,当然重要。但在当前数据中心发展的形势下。与其它技术相比,降低网络设备延时并不是最为急迫的事情,现在网络设备的延时水平仍可以满足绝大部分业务部署需求。在很多数据中心网络设备选型时,虽然已经将延时性能作为一项考核指标,但这个指标参数定的不高,绝大多数设备都可以满足。不过,随着数据中心网络发展不断成熟,尤其是随着SDN、虚拟化、VXLAN等新技术成熟落地后,对网络性能的要求会不断提高,相信延时指标考核也会越来越严格,对网络设备的延时性能要求会越来越高。

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