基于融合网络架构建设下一代地理信息数据中心的探索

刘双江



基于融合网络架构建设下一代地理信息数据中心的探索

刘双江

福建省基础地理信息中心

构建下一代地理信息数据中心须适应新时期地理信息数据的特性，解决传统数据中心的诸多不足。该文结合福建省测绘地理信息局新数据中心的建设，就下一代地理信息数据中心网络架构的技术选择及建设要点进行探讨。

地理信息 数据中心 融合网络

按照福建省“十三五”规划提出的测绘地理信息服务保障要求，福建省测绘地理信息局以《信息化测绘体系建设总体设计方案》为指导，根据现有基础和优势条件，希望通过建设下一代地理信息数据中心，全面提升测绘信息化水平。

随着大数据、云计算、物联网、卫星遥感等技术的快速发展，地理信息资源进入大数据时代，获取手段越来越多，数据产生速度快，地理信息资源也并具备多样化、体量大、快速化、价值高等特性[1]。测绘部门获得了前所未有的海量数据，地理信息大数据带来的复杂性、多样性和数据的良莠不齐，难以集中处理，提高了测绘生产作业的复杂度，也带动了自动化制图、遥感影像协同处理等新技术的发展，对传统测绘作业方式带来巨大变革。与此同时，地理信息大数据的海量存储、快速访问和协同分析处理，对数据中心的网络系统、存储系统、计算系统提出了巨大挑战。

1 下一代数据中心的建设目标

通过对现有数据中心网络基础设施整合、数据资源规划、数据库改造和系统平台升级建设，突破数据资源管理和共享壁垒，实现分布存储、统一管理、动态整合、联动更新和按需服务的省级地理信息数据中心[2]。

为了加快形成满足地理信息数据海量存储、快速访问和协同分析处理需要的网络、存储和服务器等基础设施环境，需要打造高效、敏捷、易维护的网络架构，为发展各类地理信息业务应用打下坚实基础。

2 现有数据中心的架构

福建省测绘地理信息局现有数据中心采用传统的网络接入设备、服务器、存储三层架构，数据网络与存储网络各自独立。数据网络作为服务器、客户终端通信的网络，使用传统以太网（LAN）技术；存储网络选择光纤存储区域网络（FC SAN）技术，服务器通过FC协议与存储设备通信。网络拓扑示意图见图1。

图1

随着以太网技术和FC技术的差异化发展，传统网络架构逐渐暴露了诸多不足。一方面，以太网技术迅速发展，迅速普及至1Gbps、10Gbps，支持40Gbps、100Gbps的设备也不断涌现，现有数据中心核心网络交换机通过升级接口速率支持最高至100Gbps，而FC协议却发展缓慢，传输速率才普及至8Gbps、16Gbps，支持32Gbps的设备仍然较少，现有数据中心存储交换机接口速率最大仅支持16Gbps，与核心网络交换机最高速率差距较大；另一方面，作为沟通数据网络与存储网络的服务器设备，需配置各种网络接口，如以太网适配器（NIC）、光纤通道适配器（FC HBA）等，导致在布线、机柜空间和交换机等网络架构和基础设施上至少需要配套两种并行的、专用的、独立的架构和设施，增加了数据中心的建设成本、复杂性和维护难度。

网络架构的不足导致现有数据中心越来越难以满足地理信息大数据时代的要求，对整个数据中心架构尤其是网络架构进行重构势在必行。为了实现高效、敏捷、易维护的网络架构，下一代地理信息数据中心需要适应新时代的网络技术。

3 技术与网络架构的选择

在有效整合现有数据中心网络基础设施的基础上，能否让存储网络速率达到数据网络的速率，能否通过以太网传输FC数据成为我们重构网络的重点。传统以太网的设计只保证连接，不保证可用性，数据丢包率高，速率低，但是随着融合增强型以太网（Converged Enhanced Ethernet，CEE）技术的出现，通过IEEE 802.1QBB、IEEE 802.1Qaz、IEEE 802.1Qau标准，保证了FC报文被封装到以太网数据帧后传输时达到无损的传输[3]，以太网终于实现了低延迟和不丢包的传输。而承载于CEE增加型以太网上的以太网光纤通道（Fibre Channel Over Ethernet，FCoE）技术，真正将数据网络和存储网络融合为一体。顾名思义，FCoE协议就是把FC协议封装到以太网中，从此服务器不再需要同时配置以太网适配器和光纤通道适配器，只需要配置FCoE网卡，即融合网络适配器（Converged Network Adapter，CNA），即可同时与客户端进行IP通信，与存储进行光纤通信。CNA已得到主流操作系统包括Windows、Linux、Vmware等驱动支持。图2为Emulex公司的OneConnect CNA卡在Windows设备管理器中受支持的情况：

图2

以太网适配器、光纤通道适配器的统一，带来数据中心网络结构扁平化，从三层结构向二层结构转变，实现我们需要的高效、敏捷和易维护的网络架构，如图3所示。

图3

与此同时，FCoE不改变FC协议堆栈、与现有FC存储合并的特性，可最大程度保留现有数据中心的前期投资，整合原有数据中心存储网络设备；而FCoE同时支持BLOCK和FILE存储的特性，则带来了更多存储设备种类支持。

已有分析表明，相比另一种主流网络协议——以太网SCSI（Internet Small Computer Systems Interface，iSCSI），FCoE的传输速度优于iSCSI，FCoE的传输效率优于iSCSI，FCoE性能和可靠性均优于iSCSI[4]。

因此，基于CEE、FCoE技术的融合网络，成为福建省测绘地理信息局下一代地理信息数据中心网络架构的选择。

4 建设要点

实现新数据中心融合网络架构，需要两个基础：基于万兆以太网的增强型以太网和CNA。

部署使用FCoE技术的融合网络交换机（Converged Switch），分别通过以太网链路和FC链路连接至现有的数据网络和存储网络，实现网络架构的融合。原有服务器通过更换CNA接入融合网络交换机，操作系统将CNA识别为两个适配器（FC HBA和NIC）进行配置管理。通过整合后，接入层布线得到简化，对原有IT基础设施改动较小，同时保留了原数据网络与存储网络骨干的独立性。

对于需要进行海量地理信息数据快速分析处理的部门，也可通过配置安装了CNA的高性能工作站接入融合网络，借助高速率的FCoE网络和高性能端到端FCoE存储，可全面提升处理海量地理信息数据的可靠性、冗余性和效率。改造后的网络拓扑示意图见图4。

图4

从传统网络架构过渡到融合网络架构需要一个渐进的过程，先从替换边缘网络交换机、整合现有存储设备开始，然后是实现端到端FCoE存储，最后甚至核心网络也过渡至融合网络。在保护现有FC基础设施投资的基础上，将逐渐形成一个完善的、经济的以以太网为基础的融合网络架构[5]。此外，过渡过程中带来的存储与网络融合、存储与计算融合，将给未来数据中心各类业务应用带来更多期待。

5 结论

本文简要介绍了福建省测绘地理信息局现有数据中心网络情况，在分析了传统网络架构的不足后，提出了基于融合网络架构建设下一代地理信息数据中心，通过使用CEE、 FCoE和CNA技术，使原有以太网LAN、存储区域网络FC SAN形成统一、集成的网络基础设施，简化网络架构，降低数据中心成本及复杂性, 满足地理信息数据海量存储、快速访问和协同分析处理对数据中心网络架构的要求。接下来，我们将通过相关的技术、设备测试进一步验证方案，在福建省测绘地理信息局新数据中心的建设实践中加以改进。

[1] 袁存忠,邓淑丹. 地理信息大数据探讨[J]. 测绘通报,2016(12):105-107.

[2] 信息化测绘体系建设总体设计方案[Z].福州:福建省测绘地理信息局,2017.

[3] 段小焕,韩晓红,修玉娇. 基于FCoE技术部署校园数据中心[J].自动化与仪器仪表,2014(6):180-182.

[4] 黄志宏,巫莉莉,钟焯荣,等. 聚合增强型以太网环境下的数据中心建设[J].重庆理工大学学报, 2013,27(8):70-75.

[5] 黄永兵译.数据中心统一网络实战：FCoE部署指南[EB/OL]. [2010-07-08]. http://storage.it168.com/a2010/0707/1074/000001074910.shtml.