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。