《趣谈网络协议》数据中心相关知识总结
1 数据中心
数据中心里面是服务器。服务器被放在一个个叫作机架（Rack）的架子上面。
数据中心的入口和出口是路由器，称为边界路由器（Border Router），且为了高可用，边界路由器会有多个，为了当一个运营商出问题的时候，还可以通过另外一个运营商来提供服务，边界路由器会连接多个运营商网络。
数据中心往往就是路由协议中的自治区域（AS），通过BGP协议，获取内外互通的路由信息。
数据中心里面往往有非常多的机器，当塞满一机架的时候，需要有交换机将这些服务器连接起来，可以互相通信。
这些交换机往往是放在机架顶端的，所以经常称为TOR（Top Of Rack）交换机。这一层的交换机常常称为接入层（Access Layer）。
当一个机架放不下的时候，就需要多个机架，还需要有交换机将多个机架连接在一起。
这些交换机对性能的要求更高，带宽也更大。这些交换机称为汇聚层交换机（Aggregation
Layer）。
架构：
数据中心里面的每一个连接都是需要考虑高可用的，所以需要至少两个网卡，都插到TOR交换机上，但是两个网卡要工作得像一张网卡一样，这就是网卡绑定（bond）；
需要服务器和交换机都支持LACP（Link Aggregation Control Protocol）：它们互相通信，将多个网卡聚合称为一个网卡，多个网线聚合成一个网线，在网线之间可以进行负载均衡，也可以为了高可用作准备：
使用STP协议，保证交换机、接入层和汇聚层的连接的高可用，但是只能一主一备
也可以使用堆叠技术保证交换机、接入层和汇聚层的连接的高可用，且能形成双活：
汇聚层将大量的计算节点相互连接在一起，形成一个集群；
在这个集群里面，服务器之间通过二层互通，这个区域常称为一个POD（Point Of Delivery），有时候也称为一个可用区AZ（Available Zone）。
当节点数目再多的时候，一个可用区放不下，需要将多个可用区连在一起，连接多个可用区的交换机称为核心交换机：
核心交换机吞吐量更大，高可用要求更高，肯定需要堆叠，但是往往仅仅堆叠，不足以满足吞吐量，因而还是需要部署多组核心交换机；
核心和汇聚交换机之间为了高可用，也是全互连模式的；
使用OSPF来解决：
随着数据中心里面的机器越来越多，集群规模非常大，而且都要求在一个二层网络里面。这就需要二层互连从汇聚层上升为核心层，也即在核心以下，全部是二层互连，全部在一个广播域里面，这就是大二层：
如果大二层横向流量很大，仅仅堆叠满足不了，就需要部署多组核心交换机，而且要和汇聚层进行全互连。由于堆叠只解决一个核心交换机组内的无环问题，而组之间全互连，还需要TRILL（Transparent Interconnection of Lots of Link），即多链接透明互联协议来解决；
它的基本思想是，二层环有问题，三层环没有问题，那就把三层的路由能力模拟在二层实现；
运行TRILL协议的交换机称为RBridge，是具有路由转发特性的网桥设备，这个路由是根据MAC地址来的，不是根据IP来的，Rbridage之间通过链路状态协议运作：
在核心交换上面，往往会挂一些安全设备，例如入侵检测、DDoS防护等等。这是整个数据中心的屏障，防止来自外来的攻击；
核心交换机上往往还有负载均衡器；
于是整个数据中心的网络为典型的三层网络结构：接入层、汇聚层、核心层，这种模式非常有利于外部流量请求到内部应用
这个类型的流量，是从外到内或者从内到外，对应到上图，就是从上到下，从下到上，上北下南，所以称为南北流量。
随着云计算和大数据的发展，节点之间的交互越来越多，这样需要经过交换机，使得数据从左到右，从右到左，左西右东，所以称为东西流量；
为了解决东西流量的问题，演进出了叶脊网络（Spine/Leaf）：
叶子交换机（leaf）：直接连接物理服务器。L2/L3网络的分界点在叶子交换机上，叶子交换机之上是三层网络。
脊交换机（spine switch）：相当于核心交换机。叶脊之间通过ECMP动态选择多条路径。
脊交换机只是为叶子交换机提供一个弹性的L3路由网络。南北流量可以不用直接从脊交换机发出，而是通过与leaf交换机并行的交换机，再接到边界路由器出去。
传统的三层网络架构是垂直的结构，而叶脊网络架构是扁平的结构，更易于水平扩展。
2 VPN
使用VPN将多个数据中心连接起来，或将办公室电脑和数据中心连接起来，安全又不贵；
走公网不安全，租用专线太贵：
2.1 工作原理：以IPsec协议(基于IP协议的安全隧道协议)为例
VPN通过隧道技术在公众网络上仿真一条点到点的专线，是通过利用一种协议来传输另外一种协议的技术，这里面涉及三种协议：乘客协议、隧道协议和承载协议。
保证安全性的机制：
机制一：私密性，防止信息泄漏给未经授权的个人，通过加密把数据从明文变成无法读懂的密文，从而确保数据的私密性。
使用对称加密，使用因特网密钥交换（IKE，Internet Key Exchange）协议解决加密秘钥传输的问题机制二：完整性，数据没有被非法篡改，通过对数据进行hash运算，产生类似于指纹的数据摘要，以保证数据的完整性。
机制三：真实性，数据确实是由特定的对端发出，通过身份认证可以保证数据的真实性。
IPsec协议簇：
在这个协议簇里面，有两种协议，这两种协议的区别在于封装网络包的格式不一样：
AH（Authentication Header）：只能进行数据摘要 ，不能实现数据加密。
ESP（Encapsulating Security Payload）：能够进行数据加密和数据摘要。
IPsec VPN的建立过程分为两个阶段：
第一个阶段，建立IKE自己的SA。
这个SA用来维护一个通过身份认证和安全保护的通道，为第二个阶段提供服务。在这个阶段，通DH（Diffie-Hellman）算法计算出一个对称密钥K。第二个阶段，建立IPsec SA。
在这个SA里面，双方会生成一个随机的对称密钥M，由K加密传给对方，然后使用M进行双方接下来通信的数据。对称密钥M是有过期时间的，会过一段时间，重新生成一次，从而防止被破解。
多协议标签交换（MPLS，Multi-Protocol Label Switching）：结合了IP和ATM技术
还需要能够转发标签的路由器称为标签交换路由器（LSR，Label Switching Router）；
这种路由器会有两个表格，一个就是传统的FIB，也即路由表，另一个就是LFIB，标签转发表。有了这两个表，既可以进行普通的路由转发，也可以进行基于标签的转发：
使用LDP来动态生成标签
3 移动网络
2G：
手机通过无线信号连接基站；
基站子系统分两部分，一部分对外提供无线通信，叫作基站收发信台（BTS，Base Transceiver Station），另一部分对内连接有线网络，叫作基站控制器（BSC，Base StationController）。基站收发信台通过无线收到数据后，转发给基站控制器。
基站一面朝前接无线，一面朝后接核心网；
核心网一面朝前接到基站请求，一是判断你是否合法，二是判断你是不是本地号，还有没有钱，一面通过网关连接电话网络。
鉴权中心（AUC，Authentication Center）和设备识别寄存器（EIR，Equipment Identity Register）主要是负责安全性的。
访问位置寄存器（VLR，Visit Location Register）是看号码目前在的地方，归属位置寄存器（HLR，Home Location Register）是看号码归属地。
2.5G：在原来电路交换的基础上，加入了分组交换业务，支持Packet的转发，从而支持IP网络。
多了一个分组控制单元（PCU，Packet Control Unit），用以提供分组交换通道。
3G：无线通信技术有了改进，大大增加了无线的带宽。
4G：，基站为eNodeB，包含了原来Node B和RNC的功能，下行速度向百兆级别迈进。另外，核心网实现了控制面和数据面的分离
eNodeB和MME之间的连接就是很正常的IP网络，在IP层之上则使用了SCTP。
当MME通过认证鉴权，同意这个手机上网的时候，需要建立一个数据面的数据通路。建立通路的过程还是控制面的事情，因而使用的是控制面的协议GTP-C，GTP-C协议是基于UDP封装的协议
上网流程：
- 手机开机以后，在附近寻找基站eNodeB，找到后给eNodeB发送Attach Request，说“我要上网”。
- eNodeB将请求发给MME，说“有个手机要上网”。
- MME去请求手机，一是认证，二是鉴权，还会请求HSS看看有没有钱，看看是在哪里上网。
- 当MME通过了手机的认证之后，开始分配隧道，先告诉SGW，说要创建一个会话（Create Session）。在这里面，会给SGW分配一个隧道ID t1，并且请求SGW给自己也分配一个隧道ID。
- SGW转头向PGW请求建立一个会话，为PGW的控制面分配一个隧道ID t2，也给PGW的数据面分配一个隧道ID t3，并且请求PGW给自己的控制面和数据面分配隧道ID。
- PGW回复SGW说“创建会话成功”，使用自己的控制面隧道ID t2，回复里面携带着给SGW控制面分配的隧道ID t4和控制面的隧道ID t5，至此SGW和PGW直接的隧道建设完成。双方请求
对方，都要带着对方给自己分配的隧道ID，从而标志是这个手机的请求。 - 接下来SGW回复MME说“创建会话成功”，使用自己的隧道ID t1访问MME，回复里面有给MME分配隧道ID t6，也有SGW给eNodeB分配的隧道ID t7。
- 当MME发现后面的隧道都建设成功之后，就告诉eNodeB，“后面的隧道已经建设完毕，SGW给你分配的隧道ID是t7，你可以开始连上来了，但是你也要给SGW分配一个隧道ID”。
- eNodeB告诉MME自己给SGW分配一个隧道，ID为t8。
- MME将eNodeB给SGW分配的隧道ID t8告知SGW，从而前面的隧道也建设完毕。
分SGW和PGW的原因是为了异地上网，在国外搜到国外的eNodeB后，会和国外的SGW建立一个隧道，然后国外的SGW和国内运营商的PGW建立一个隧道，然后通过国内运营商的PGW上网；
这样即便在国外的运营商下上网，也是要通过国内运营商控制的