虛擬化與雲端運算改變傳輸型態 驅使Ethernet Fabric誕生

數十年前，早在臺灣三大橫貫公路開通之前，住在臺中的人若想到花蓮太魯閣旅遊，必須先一路北上到臺北，經由北宜公路到宜蘭，再南下到花蓮，路途非常遙遠，往往得花費一天時間才能抵達。

等到東西橫貫公路通車以後，臺中居民只要原本一半，甚至三分之一的時間就能到花蓮觀光，花蓮地方特產也能當天快速送達西部市場，提供最新鮮的蔬果食品。

Client-Server架構的應用系統，在傳統三層式網路架構的資料流動方式，就像是橫貫公路開通以前的情況。企業內部使用者的電腦必須經過層層交換器，向應用程式系統提出需求，前端的應用系統伺服器收到請求後，向後端資料庫系統讀取資料，再透過前端伺服器回傳給使用者。

這種資料流動方式，是一種垂直式的資料流動，大多是上下層的資料交換，反而在不同應用系統伺服器之間較少有大量資料交換的需求。就像是臺灣早期旅客大多是南北交通往來，較少到東部旅遊。

但是隨著雲端運算崛起，在資料中心裡的伺服器必須協同合作來分散運算，甚至要動態調度大量資源，應用伺服器之間的資料交換需求大幅增加，例如像美國知名影音服務Netflix網站，內部架構全面API化，使用者看到的一個網頁其實是由後端數十臺伺服器聯合透過API提供內容，內部伺服器間彼此經常交換運算資料，大量資料需要在同一層網路間水平流動。

為了滿足這些新興應用的大量資料流動需求，就像政府用中部橫貫公路疏通臺灣東西岸一樣，網通廠商也紛紛推出了不同於傳統網路架構的新型態網路架構Ethernet Fabric，讓L2網路也具備Layer 3（L3）路由機制，能夠自動尋找抵達目的端的最佳路徑，傳輸流量不必垂直行經L3上層，就能在同層進行水平傳輸。

伺服器之間水平溝通更頻繁

一般傳統階層式網路架構的設計分為三階層，包括連結伺服器的L2存取層、匯聚存取層頻寬的L2匯聚層，以及集中交換流量並尋找最佳路徑的L3核心層，這樣的設計主要是用來支援以垂直傳輸流向為主的Client-Server應用環境，每臺伺服器大多負責一種類型的應用服務，透過匯聚層及存取層的網路設備沿途收攏頻寬，最後由核心層交換器集中交換流量，將應用服務派送給用戶端的個人電腦。

隨著雲端運算一路發展以來，資料中心成為一座資源池，許多新興應用需要伺服器之間進行密切的互動。例如，vMotion、分散式運算及Web 2.0等應用，重視低延遲、高頻寬、高容錯的網路服務。

舉例來說，為了達到伺服器高可用性，或是動態分攤實體伺服器的負載量，虛擬機器（VM）會動態移動到另一臺實體伺服器，一個VM可能內含10GB的資料，容易造成網路的效能瓶頸。又如分散式運算會將同一份工作拆解給數臺伺服器同時執行，伺服器之間必須快速傳遞資料及運算結果，產生大量的水平傳輸流量。

當水平流量在傳統階層式網路逐層傳遞時，必須行經三層的交換器節點（Hop），每多經過一個節點，就會耗費更多的延遲時間，影響網路的運路效能，在幾10臺伺服器的機房內，延遲問題不易察覺，但在動輒數千臺伺服器的雲端資料中心規模下，階層式網路架構成為根本性的效能瓶頸。

STP協定無法有效利用線路頻寬

除了不利於新興應用的水平傳輸流向之外，階層式網路架構還存在另外兩項老問題，分別為無法支援多條路徑同時運作，以及收斂時間容易造成網路延遲或中斷。

網管人員在規畫網路傳輸路徑時，為了避免交換器之間的連結線路產生迴圈，而引發廣播風暴，大多採用Spanning Tree Protocol（STP）協定，封鎖備援用的傳輸線路，只有在主線路中斷時，才會啟用被封鎖的線路。所以，整座資料中心網路通常只有二分之一的線路維持運作，其餘二分之一會被封鎖，無法有效利用所有線路的頻寬。

另外一項問題則是STP網路的容錯能力不足，每當網路拓墣因設備故障或增減而變更時，STP網路需要一段收斂時間來計算新的網路拓墣，這段時間將造成網路延遲或中斷。Brocade大中華區技術經理黃藍玓表示，STP網路架構越複雜，收斂時間越長，最長可以延遲或中斷數十秒。如果企業的資料中心時常需要擴充各種設備來調整網路拓墣，就很容易影響網路的穩定性。

過往以來，業界已經流傳不少解決STP協定的作法，來支援多條路徑同時運作。像是將多臺交換器堆疊為單臺，再以Link Aggregation Control Protocol（LACP）協定手動設定，整合多條連結線路為同一條，以此匯聚頻寬。或者，透過專屬韌體及手動設定的方式，將兩臺核心層交換器串連為同一臺，讓連到這兩臺的實體線路，彷彿連到同一臺核心交換器，藉此讓所有實體線路保持運作，各家廠商的技術包括思科VSS、HP IRF、Avaya RSMLT等。

當雲端資料中心規模逐漸擴大，甚至如同Google、Facebook或中華電信HiCloud雲端資料中心對外提供雲端服務，這些手動設定的作法在大規模網路架構下，提高人力負擔與人為錯誤的風險，萬一網路中斷，將造成莫大的衝擊，加上這些技術限於特定款的軟硬體產品，且擴充能力有限，大型雲端資料中心逐漸不敷使用。

於是，伴隨新的水平傳輸需求與STP協定的老問題，驅使新一代Ethernet Fabric網路架構成形，實現資料中心低延遲、高頻寬與自動容錯的新願景。

Ethernet Fabric支援伺服器之間的水平傳輸流向

Ethernet Fabric一詞最早由Brocade提出來，但廣義而言，Ethernet Fabric可視為改變乙太網路實體線路連結與傳輸方式的新作法，一種支援水平傳輸流向及多條路徑同時運作的新興網路架構。

最近各家網通廠商也紛紛提出為了達成同一目標的解決方案，例如Brocade去年發表了VCS技術，思科的Nexus 7000系列從今年開始支援Fabric Path，而Avaya也在今年提出VRF與Switch Clustering功能，這些技術都能將階層式網路架構簡化為存取層與核心層，去除傳統的匯聚層，技術作法上，是在L2資料鏈結層施行L3網路層的路由機制，讓每臺L2交換器能夠自動計算出抵達目的端的最佳路徑，讓更多傳輸流量不必行經核心層，就能直接在存取層進行水平傳輸。

另外，Juniper QFabric方案則採取了不同的作法，打破了網路層級，將一臺核心交換器的功能拆解為3套獨立的設備，各別執行管理、尋徑和流量交換的工作，降低每臺交換器都要執行這些工作的延遲時間。

網通業者實現Ethernet Fabric的作法雖然分歧，但這些作法都能提供同樣的三個效益。第一，Ethernet Fabric支援內網大量且快速的水平傳輸流向，減少封包行經的節點數量，利於低延遲的應用環境。第二，Ethernet Fabric的所有實體傳輸線路都能維持運作，將頻寬提升為先前的2倍。第三，Ethernet Fabric具備自動復原的容錯能力，每當網路拓墣變更時，每臺交換器會自動更新路徑表，幾乎不會造成網路延遲或中斷，增進資料中心網路的容錯能力。

低延遲應用與大型資料中心需求較迫切

元大證券資訊部副理游庭昆表示，在資料中心虛擬化環境下，為了降低延遲時間，L2網路走向Ethernet Fabric是必然的趨勢。不過，企業並非所有的應用都有導入Ethernet Fabric來降低延遲時間的急迫性。Juniper技術經理林佶駿表示，低延遲應用、超大型資料中心規模較迫切需要Ethernet Fabric網路架構，來串連4千到6千臺伺服器，改善網路運作的效益也更容易彰顯，來平衡導入成本，否則透過其他方式也能降低延遲。

以低延遲應用而言，像是證交所大量的金融交易、訂票系統、編製影音資料、氣象及地震相關研究單位、以分散式運算分析巨量資料、Amazon雲端應用服務等，這些應用會在內網伺服器之間產生快速且大量的水平傳輸流量，對Ethernet Fabric的需求因而較為迫切。

另外，有些應用環境對Ethernet Fabric的需求就不這麼迫切，例如中華電信HiCloud提供虛擬機器（VM）租用服務，每臺VM的應用環境都專屬於特定的用戶使用，中華電信反而會盡可能區隔VM與實體伺服器的應用環境，維持獨立運作，在L2內網完全不互通，如此才能避免造成資安漏洞。

如果資料中心的規模不大，也可以其他方式提升網路運作效能。林佶駿舉例，某家媒體業者的機房規模只有300到400臺伺服器，需要低延遲的網路環境，來快速編製大量的影音檔案，但是這家媒體業者採用不同於Ethernet Fabric方案，而是將所有伺服器直接連到同一臺核心交換器，支援快速且大量的流量交換。

汰換成本與技術未標準化成為企業導入門檻

以現階段而言，Ethernet Fabric技術尚未標準化，各家網通廠商百家爭鳴，紛紛推出獨家的解決方案，企業若要導入Ethernet Fabric，必須整批汰換為Ethernet Fabric專屬的軟硬體產品，還可能面臨與現有網路設備不相容的問題，加上多家廠牌之間不互通，企業容易被特定廠牌綁死，無法自己搭配適合的產品，或是更換廠牌。

此外，人力成本也要納入考量，網管人員必須重新部署Ethernet Fabric網路架構，並學習新的Ethernet Fabric維運方式，這些都將提高企業的成本負擔，成為導入門檻。

雖然Ethernet Fabric還在發展當中，技術與方案尚未統一，但Ethernet Fabric所寄予的水平傳輸流向、多條路徑同時運作、自動復原的容錯能力等新願景，指出了資料中心網路架構共同的演進方向。企業可以評估Ethernet Fabric仍在發展中的技術，觀察其可行性與缺陷，衡量自身對Ethernet Fabric需求急迫的程度，才不會錯過Ethernet Fabric新願景為企業帶來的效益。

傳統階層式網路vs. Ethernet Fabric

傳統階層式網路架構的垂直傳輸流向的節點數較多，延遲時間較長，而且所採用的STP協定封鎖備援用的傳輸路徑，無法有效利用線路頻寬。而新的Ethernet Fabric將網路架構縮減為存取層與核心層，讓同一個VLAN的伺服器能在存取層水平溝通，頻寬也匯聚為先前的2倍。舉vMotion為例，在傳統階層式網路架構中，虛擬機器（VM）必須垂直行經三層交換器，才能抵達目的端伺服器，容易造成效能瓶頸，在Ethernet Fabric當中，VM可直接在存取層水平傳輸。

(看大圖)

企業應站在整體資料中心角度評估Ethernet Fabric方案

分析機構Yankee Group在去年11月發表的「An Ethernet Fabric is Critical to the Virtual Data Center」文章中指出以往企業以網路埠密度與背板傳輸頻寬來評估網通產品，然而，當網路架構走向Ethernet Fabric，企業應該改以整體資料中心運作的角度，將Ethernet Fabric對運算和儲存領域的效益，來衡量各家Ethernet Fabric解決方案的優缺。

Ethernet Fabric衡量指標包括該網通廠商過往在資料中心解決方案的創新能力、與其他主流伺服器、虛擬化和儲存廠商的合作關係，以及Ethernet Fabric產品與儲存網路的整合性。此外，Ethernet Fabric方案的軟硬體產品必須遵循未來的標準協定，才能相容於其他廠牌的產品。

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