揭秘阿里云HAIL數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)

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

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

數(shù)據(jù)中心誕生之前，網(wǎng)絡(luò)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(wù)傳統(tǒng)企業(yè)網(wǎng)的技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建，逐漸發(fā)展成為一個(gè)獨(dú)立的場(chǎng)景?；ヂ?lián)網(wǎng)和云計(jì)算公司為了向公眾提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)（如媒體信息、通信交流、搜索查閱、網(wǎng)上購(gòu)物等），需要自身具備服務(wù)全國(guó)甚至全球用戶的計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)能力，這要求后端技術(shù)平臺(tái)能夠處理高并發(fā)的請(qǐng)求，內(nèi)部系統(tǒng)則要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的存儲(chǔ)、計(jì)算、搜索，再經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)將結(jié)果輸出給用戶。這種模型對(duì)互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)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(chǎng)景也隨之誕生。

初期的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)采用企業(yè)級(jí)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)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(luò)技術(shù)在較小的組網(wǎng)規(guī)模條件下并不會(huì)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(jí)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)就面臨著性能、穩(wěn)定性、大規(guī)模運(yùn)營(yíng)等方面的挑戰(zhàn)。

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

同一時(shí)期，為了進(jìn)一步自主掌控?cái)?shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)棧，為產(chǎn)品打造更高效穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，阿里云開始了全自研體系的設(shè)計(jì)和研發(fā)。HAIL DC5.2是第一代采用全自研交換機(jī)和光互聯(lián)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過單芯片自研盒式設(shè)備來構(gòu)建多平面scale out（橫向可擴(kuò)展）的分布式數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)。

近年來，隨著計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)不但要求“穩(wěn)定的連通性”和“足夠的帶寬”，而且對(duì)“低時(shí)延”和“可預(yù)期網(wǎng)絡(luò)結(jié)果”的訴求也越來越明顯。

新的計(jì)算模型，以容器為基礎(chǔ)的云原生技術(shù)以應(yīng)用為中心，圍繞應(yīng)用來構(gòu)建彈性、簡(jiǎn)單復(fù)制、高效運(yùn)維的基礎(chǔ)設(shè)施能力，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求是“彈性”和“密度”，這看似對(duì)網(wǎng)絡(luò)的依賴不是很明顯，實(shí)際上云原生的形態(tài)要求云基礎(chǔ)設(shè)施呈現(xiàn)為更廣義的池化形態(tài)，使得云原生的計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)等系統(tǒng)可以屏蔽對(duì)底層基礎(chǔ)設(shè)施的功能感知，這也越來越要求網(wǎng)絡(luò)與容器的融合能力提升，云原生的網(wǎng)絡(luò)卸載加速會(huì)成為未來數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)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(luò)未來的發(fā)展趨勢(shì)：

網(wǎng)絡(luò)芯片的摩爾演進(jìn)將進(jìn)一步提升吞吐性能，這并不單單是通用計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)需求曲線延續(xù)（實(shí)際上通用計(jì)算對(duì)網(wǎng)絡(luò)增長(zhǎng)的需求在放緩，而異構(gòu)計(jì)算仍需求強(qiáng)烈），還包括網(wǎng)絡(luò)自身降低單位吞吐成本的目標(biāo)。在這個(gè)過程中會(huì)遇到芯片技術(shù)、供應(yīng)生態(tài)、成本等方面的挑戰(zhàn)，業(yè)界會(huì)形成新的應(yīng)對(duì)方式。

低時(shí)延轉(zhuǎn)發(fā)會(huì)是高性能計(jì)算、AI、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)庫(kù)等池化場(chǎng)景的競(jìng)爭(zhēng)力核心，這需要端到端網(wǎng)絡(luò)的全棧創(chuàng)新，從協(xié)議到流控再到網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)。高性能計(jì)算、AI相對(duì)特殊，需要有獨(dú)立的拓?fù)湓O(shè)計(jì)乃至于特定的轉(zhuǎn)發(fā)芯片，這種低時(shí)延轉(zhuǎn)發(fā)不是一個(gè)絕大多數(shù)場(chǎng)景的趨勢(shì)和訴求，但這方面的創(chuàng)新會(huì)引領(lǐng)帶動(dòng)其他通用場(chǎng)景的技術(shù)演進(jìn)，發(fā)揮“特定場(chǎng)景創(chuàng)新傳導(dǎo)給通用場(chǎng)景”的創(chuàng)新效應(yīng)。

以太網(wǎng)最初以“best-effort”這種簡(jiǎn)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(jī)制來實(shí)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(jì)”的分工模式。然而，隨著上文提到的技術(shù)趨勢(shì)越來越明顯，以太網(wǎng)的“盡力而為”將會(huì)成為一些場(chǎng)景下的短板，如何基于以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)“可預(yù)期”的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的關(guān)鍵命題?？深A(yù)期網(wǎng)絡(luò)意味著應(yīng)用對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的行為結(jié)果有相對(duì)可控的預(yù)期，并基于這個(gè)預(yù)期來設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)，這會(huì)讓應(yīng)用架構(gòu)更簡(jiǎn)單。就好比交通出行，對(duì)于中長(zhǎng)途旅行，選擇飛機(jī)雖時(shí)間短但存在較大延誤風(fēng)險(xiǎn)，選擇汽車可有大致可控的范圍但旅途時(shí)間長(zhǎng)，而高鐵是準(zhǔn)時(shí)發(fā)車準(zhǔn)時(shí)抵達(dá)，時(shí)間相對(duì)短且誤差最小，不必?fù)?dān)心因?yàn)樾谐痰⒄`某個(gè)重要會(huì)議，這使得整個(gè)社會(huì)在時(shí)間效率上可以做到更好?？深A(yù)期網(wǎng)絡(luò)的理念即是如此，讓應(yīng)用更簡(jiǎn)單，效率更高。

可預(yù)期網(wǎng)絡(luò)，首先要做的是實(shí)現(xiàn)技術(shù)棧的自主掌控。阿里云已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了基于自研的網(wǎng)卡、交換機(jī)、光互聯(lián)來構(gòu)建自主掌控的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，這使得底層網(wǎng)絡(luò)變得穩(wěn)定可控。剛剛過去的云棲大會(huì)上，阿里云發(fā)布了多項(xiàng)可預(yù)期網(wǎng)絡(luò)新品，其中的關(guān)鍵因素是技術(shù)棧的自主掌控。

阿里云提出協(xié)同設(shè)計(jì)（下圖）的架構(gòu)理念來實(shí)現(xiàn)端到端的可預(yù)期網(wǎng)絡(luò)。對(duì)云計(jì)算系統(tǒng)而言，網(wǎng)絡(luò)是整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一環(huán)，基于協(xié)同設(shè)計(jì)的理念，我們通過網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用的協(xié)同設(shè)計(jì)、端側(cè)網(wǎng)絡(luò)與交換網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)創(chuàng)新升級(jí)三個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)可預(yù)期網(wǎng)絡(luò)，近年來阿里云基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在這三個(gè)方面已經(jīng)取得了很多研究研發(fā)成果，大部分技術(shù)也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了規(guī)模部署。