5.0V—基于SDN的腾讯次世代数据中心网络架构

经典科幻电影《2001太空漫游》中，有一个充满了神秘宗教意义的象征：黑石(黑色的方碑)。黑石每次的出现，都昭示了文明的转机。远古，黑石第一次出现，教会了猿人使用工具;2000年，黑石第二次出现，将人类从月球引向了木星，才有了之后2001太空漫游的故事。

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时钟指向了2016年—NASA的玩具车在火星上溜达了4年之后，人类仍然没有漫游到木星。同一年，腾讯云推出了一款叫做“黑石”的私有云产品，成功的把多个私有云大客户忽悠上腾讯云的大船，开始了在云世界中的“太空漫游”。在这块黑色的方碑上，汇集了TEG和云平的多种先进技术。其中第一条，也是整个黑石的基础，5.0V网络架构。好吧，主角的名字很朴(Su)实(Qi)，不过她，很有的内涵。

挑战

腾讯是一个持续高速发展的互联网公司，每年会持续不断的新增海量服务器建设需求，使用的是一个完全标准化的网络建设形态，有如下特色：

• 多：常年大规模建设和部署。
• 快：全流程自动化，建设高效率。
• 好：网络性能充分满足腾讯自营业务需求。
• 省：标准化建设，实现规模效应下的成本最优化。

以时下最热的楼市为例，腾讯自营业务的网络就是一个庞大的公寓群，拎包入住，高档精装修。

而在私有云网络中，面对的是各种千奇百怪的客户需求，和定制化的网络架构。在2015年一整年，原有在自营业务中使用的标准化网络建设方式，被腾讯云私有云用户虐的死去活来：

• 可能多：每个用户建设规模不确定，会动态变化。
• 快不起来：各种定制化需求，无法自动化，建设效率低，人力成本消耗严重。
• 众口难调：不能完美的满足不同用户的定制化需求。
• 不太省：不同用户的定制化架构，无法共享资源，无法有效的降低成本。

仍然以房地产为例，私有云用户的网络要求就如同一个小区里即有茅草屋，也有联排别墅。而且茅草屋的用户第二天就有可能要求原地推到重来为独栋别墅。

所有的挑战归结起来，只有两点：敏捷和资源共享。

5.0V架构概览

2016年，马特呆萌在火星自力更生的种了一年菜，网平那些被虐的死去活来的网工们也没有放弃，成功的研发出了次世代的IDC网络架构：5.0V。首先是硬件选型，资源共享是主要考量：

• 通过overlay转发的方式构架基础网络架构，即实现网络隔离，也实现了用户对基础网络架构的与位置无关的共享。简单来说，用户可以使用IDC机房里的任意位置的服务器，接入自己的自定义网路，并自由的定义该服务器的IP网段和路由。
• 硬件ovlerlay转发：overlay转发节点为交换机，使用低成本高吞吐能力的转发芯片，实现高转发性能。相对于传统的云网络，无需损耗服务器性能。
• NFV：计算要求高，交换机无法满足的L4-7层服务节点和网络增值业务节点(例如防火墙，LB，VPN接入等)，不再使用传统的昂贵且不易统一管理运维的硬件设备，而是改为部署在标准X86服务器上的NFV软件，实现灵活的功能部署和横向扩展。用户需要哪些NFV服务，只需要在标准的X86服务器上安装部署即可，随用随装，按需扩容。
• 标准化的硬件选型+多用户共享IDC网络，实现规模效应下的成本优化。不同的用户使用同一个IDC网络，但同时满足用户之间的隔离，用户网络自定义以及质量保证。

接下来的考量是敏捷。动辄上万W的功耗，数百公斤的重量，金属打造的机身，复杂难懂的CLI，网络设备难免给人沉默、呆板的印象。怎么让他敏捷起来?

网平网工们的选择：Infrastructure As Code。

由Network Orchestrator、NFV Controller和Fabric Controller三种控制器组件，构成分层、解耦的网络编排架构，实现灵活高效的交换机和NFV设备控制，并提供丰富的北向API接口。

当最终的用户需要使用网络功能时，IT人员不再需要去学习那些复杂的网络协议和设备命令行，只需要在软件中调用简单的API接口，既可以完成如下这些网络功能的弹性部署。

• 用户网络自定义：满足多样的用户网络需求。
• 网络部署自动化：大量节省网络交付时间。
• 丰富的互联能力：Internet出口，与用户自有机房通过专线互联/通过IPsec VPN互联、跨地域的云间互联。
• 丰富的增值服务能力：防火墙，LB等L4-L7的网络服务，云数据库、云存储、docker等云服务。

5.0V承载案例

敏捷和资源共享是5.0V的主要卖点。我们举几个例子，看看她是怎么工作的。

案例1：中小企业客户IDC网络建设交付周期

传统架构： 中小企业客户的私有云网络建设。首先企业的IT人员需要和业务部门沟通需求;然后是资源评估;之后再结合计划使用的网络设备的具体规格和能力，做架构设计;最后才是网络建设。整个流程下来，从用户立项到最终的机房交付，即使是加班加点，整个周期也得3-4个月。

5.0V：中小企业客户在腾讯云下单后，用户的IT人员，直接在云平的前台web页面上，按照腾讯抽象出来的网络模型设计自己的网络架构，不需要考虑底层网络设备的差异。下发提交后，5.0V的业务编排系统会根据用户的需求和网络设计，全自动化的完成资源调配和网络配置，1天搞定。

案例2：网络资源的弹性调度

某电商客户要搞促销活动，需要临时紧急进行网络资源扩容。

传统架构下存在如下问题：

• 问题1：机房里是否还有机位资源，机房是否还有多余的出口带宽资源?没有! 新建一个IDC吧，3个月;
• 问题2：公网出口设备、LB和FW的性能是否够用?不够!紧急采购扩容，修改网络架构，重新做业务部署，2个月;
• 问题3：城市A的机房到城市B的机房的专线带宽是否够用?不够!紧急进行专线建设，联系运营商施工，做网络设备配置，2-6个月;

好吧，看起来该电商如果想搞促销，得提前半年就开始准备了。而且，这些资源促销之后就只能闲置了。

5.0V：

• 问题1：腾讯云储备了海量的机位资源和出口资源，5.0V将这些资源完全扁平化管理，用户在前台页面点点鼠标，就可以拿来使用了。同时，虽然资源是多个用户共享的，但是5.0V保证用户之间的安全隔离和质量保证。而且，这些资源只是借用，不用了还可以退。
• 问题2：5.0V以NFV的形态实现这些L4-7层服务，并支持横向扩容。用户需要扩容时，不需要采购新的硬件设备，点点鼠标，5.0V会自动化的新增服务器，安装上相应的软件，并完成部署。
• 问题3：5.0V可以将腾讯遍布全世界的DCI网络有机的调度起来。用户在城市A的5.0V机房和城市B的自有机房新建专线时，只需要从城市B的自有机房拉一条专线到腾讯在城市B的接入点即可。其他的工作，交给5.0V吧。

案例3：IP的灵活部署和快速上下线

container技术和serverless架构和的流行，要求IP节点可以快速灵活的在网络的任意节点上进行部署和释放。

传统架构下，每新增一个container的IP，需要网工手工使用CLI在设备上配置;同时，因为受广播域大小的限制，该IP网段的使用范围受限，无法在IDC中所有的服务器上部署和迁移。

5.0V提供对外的API进行IP的部署，用户的管理平台需要部署container时，直接调用5.0V的API，就可以灵活的部署container的网络。同时，5.0V使用overlay技术，将IP和IDC内的物理机架位置解耦，container可以在IDC内的任意服务器上部署和迁移。

5.0V的实现与技术突破

接下来的部分是技术秀，对网络技术名词不明觉厉的同学请略过，直接拉到最后一章：

• 控制平面：分层的编排系统架构
• Network Orchestrator负责网络业务编排，NFV Controller负责NFV设备控制，Fabric Controller负责交换机控制。组件间访问均为腾讯根据自营业务，以及私有云用户需求场景定义的标准化的网络对象和API。
• 标准化Fabric 控制器的对象模型和接口，只要是遵循腾讯规范的Fabric 控制器都可以在腾讯网络部署。由此，将交换机选型与网络业务编排解耦，不同供应商的交换机，只需要进行控制器北向API开发，既可以接入5.0V。
• 标准化NFV控制器的对象模型和接口，NFV控制器通过Plugin方式，具备支持多厂商NFV设备的能力。NFV设备只需要支持业界标准的北向接口，就可以与NFV控制器即插即用。
• L2-L3层网络服务(交换机)和L4-L7网络服务(NFV)独立演进和发展，可以兼容不同供应商产品，构建良好生态。

转发平面：在标准BGP-EVPN的分布式网关方案基础上的大幅优化

• 控制器只负责业务下发，不负责转发表项的计算。转发表项的计算使用成熟度高的标准BGP-EVPN协议完成。
• 使用IBGP+高性能RR的方式，进行overlay路由的计算，与Underlay路由的计算解耦。
• 在标准协议和商用方案的基础上做减法，降低协议开销：

1. 纯L3的overlay转发，规避大二层的BUM问题 。
2. 优化转发芯片表项资源，简化控制平面处理。
3. EVPN协议优化，降低协议开销，增加稳定性。

• 在标准协议的基础上，针对性的增加定制化特性，优化网络稳定性和HA能力：

1. 单模块网络规模可以达到转发芯片能力上限。
2. 网络任意节点/链路故障，100ms级别的中断 恢复时间。

丰富的网络增值服务

• 5.0V的业务编排层使用模块化架构，可以接入各种类型，不同主体提供的网络增值服务，包括网平提供的服务器安装部署、TGW提供的Internet出口和LB服务，云平台提供的云服务，5.0V自身具备的L4-L7层服务。每个服务都可按模块横向扩展。
• 5.0V网络架构的业务驱动，与所有这些增值服务的业务驱动，统一编排，但是独立执行;业务下发层级实现关联，但是技术实现解耦。简单来说，就是各种增值业务，只需要与5.0V的NO对接，不需要修改原有的业务实现方式，就可以SDN的方式进行业务部署和运维。
• 资源共享和独占灵活控制，所有服务都可以实现多用户按需共享服务资源，由控制平面统一调度，也可以按照用户需求独占资源，并灵活弹性的控制规模。

价值与展望

5.0V并不是一个传统意义上只涉及交换机的数据中心网络架构，而是涵盖了交换机、NFV设备、云服务、云间互联能力的一体化的SDN解决方案。控制平面的SDN赋予她敏捷和弹性;转发层面的硬件选择和协议优化，赋予她高性能和高可靠性;分层编排的系统架构，赋予她多样的服务能力和良好的生态。

5.0V已经成功的在腾讯云黑石项目投入运营，并逐渐走向成熟，她以Infrastructure As Code的方式整合了腾讯所有IDC网络节点，并为上层的网络服务搭建了一个弹性敏捷的网络支撑平台。将腾讯的数据中心网络架构正式带入了SDN的时代。