導(dǎo)語：數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)設(shè)計思索一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1引言

數(shù)據(jù)中心擁有龐大的機(jī)群，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析以及超大型網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中[1]。在實現(xiàn)千兆兆級數(shù)據(jù)存儲過程中，數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸和處理過程將消耗很多資源，如網(wǎng)絡(luò)帶寬、存儲空間以及電能等。在實際應(yīng)用中，如網(wǎng)頁搜索、醫(yī)學(xué)圖像處理、社區(qū)網(wǎng)絡(luò)挖掘等領(lǐng)域，數(shù)據(jù)存儲和處理的數(shù)量相當(dāng)龐大，因此對于數(shù)據(jù)中心來說，一個最基本的要求就是其必須具有很好的擴(kuò)張性，擁有成千上萬甚至幾十萬數(shù)量的服務(wù)器。盡管普通計算機(jī)成本降低，但是架構(gòu)龐大數(shù)量服務(wù)器的機(jī)群僅滿足擴(kuò)展性的要求且有效控制整體成本仍是一個難題。由于在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的數(shù)量可以急劇增加，因此在架構(gòu)內(nèi)部通行的帶寬也必須實現(xiàn)大于線性關(guān)系或者平方關(guān)系的增長，以適應(yīng)頻繁的數(shù)據(jù)訪問和分布式數(shù)據(jù)處理及存儲。為了減少搭建內(nèi)部鏈接的成本，通常使用帶網(wǎng)卡的普通計算機(jī)以及已有網(wǎng)卡的通用服務(wù)器。至今為止，構(gòu)建數(shù)據(jù)中心內(nèi)部鏈接的方式大致可以分為兩種：

(1)以交換機(jī)為中心的結(jié)構(gòu)。通過交換機(jī)實現(xiàn)內(nèi)部連接和服務(wù)器數(shù)量的擴(kuò)展，并且不對服務(wù)器的配置進(jìn)行任何修改。

(2)以服務(wù)器為中心的結(jié)構(gòu)。每個服務(wù)器僅需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和存儲，也需作為數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，保證無需對交換機(jī)配置進(jìn)行更改l6]。由于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)量巨大，需要建立網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部統(tǒng)一編址和路由策略，以實現(xiàn)節(jié)點之間的高速通信過程，因此人們引入網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，實現(xiàn)節(jié)點資源構(gòu)建，以及組建和管理規(guī)模龐大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。本文結(jié)合網(wǎng)絡(luò)虛擬化平臺的研發(fā)經(jīng)驗，將提出一種以服務(wù)器為中心的數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)設(shè)計方法——圓柱型數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)(CylinderDataCenterNet—works，CDCN)。在此架構(gòu)中，采用以服務(wù)器為中心的設(shè)計方法，每一個節(jié)點由一臺服務(wù)器組成。與以交換機(jī)為中心的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)相比，CDCN采用的設(shè)計方法更具優(yōu)勢。首先，將網(wǎng)絡(luò)傳輸控制由交換機(jī)轉(zhuǎn)移到服務(wù)器中執(zhí)行，提高了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中各虛擬網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和路由策略的可控性和編程性。其次，以服務(wù)器為中心的設(shè)計方法采用低端的、網(wǎng)絡(luò)第二層路由處理的layer-2交換機(jī)，因此網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的成本比較低。

2CDCN架構(gòu)設(shè)計

2．1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

CDCN網(wǎng)絡(luò)由兩種設(shè)備組成：具有兩個網(wǎng)絡(luò)接口的服務(wù)器和擁有n個端口的交換機(jī)，且服務(wù)器和交換機(jī)被分為是列。在該結(jié)構(gòu)中，只有兩個參數(shù)和k，因此CDCN網(wǎng)絡(luò)也可稱為(，愚)CDCN。我們用Ho．．•1表示k個服務(wù)器列。個服務(wù)器列和k個交換機(jī)列在水平方向上環(huán)繞成一個圈，如圖1所示。由此可見，CDCN的結(jié)構(gòu)是一個圓柱型，在水平方向是一個圓環(huán)，在豎直方向上由服務(wù)器和交換機(jī)層相互間隔交錯組成。其中，服務(wù)器的兩個端口分別連接在兩側(cè)的交換機(jī)上。如架構(gòu)圖所示，在Hl列中的服務(wù)器，一端連接在Sl列的交換機(jī)上，另一端則與S(_1)列的交換機(jī)相連。對于S層中的一個端換機(jī)，半數(shù)端口連接E列中的n／2臺服務(wù)器，另一半則連接Hc舳列中的n／2臺服務(wù)器。為了更簡單地描述CDCN的結(jié)構(gòu)，下面稱服務(wù)器H()m列為H列的順時針方向相鄰列，而H(汁_1)舳列則是列的逆時針方向相鄰列。在擁有k列的CDCN架構(gòu)中，每一個服務(wù)器列由(n／2)個服務(wù)器構(gòu)成，每一個交換機(jī)列由(n／g)個交換機(jī)組成。對于列的(n／2)個服務(wù)器，用(…)表示，其中∈[o，魯一1](0≤≤k一1)。因此，在CDCN中一個服務(wù)器的位置標(biāo)識即I【)號可定義為(C，t產(chǎn)…vo)，其表示在服務(wù)器列Hc中標(biāo)號為(…擴(kuò))的服務(wù)器。在實現(xiàn)對服務(wù)器進(jìn)行標(biāo)識的情況下，服務(wù)器和交換機(jī)之間的內(nèi)部連接如下：對于在任一服務(wù)器列H中2(n／2)臺服務(wù)器及其順時針相鄰的服務(wù)器列H(c+l】，可分為(n／2)卜個單元組，且每個組擁有個服務(wù)器。在單元組中，每個服務(wù)器的標(biāo)號具有以下屬性：當(dāng)把第C列的標(biāo)識刪去之后，其余的標(biāo)識信息一致。因此，在一個單元組中，一半數(shù)量的服務(wù)器屬于Hc列，另一半屬于H(c_列。同時，此臺服務(wù)器連在同一個標(biāo)號為Sc的交換機(jī)上。因此，對于編號(…以vo)的服務(wù)器中，有n／2臺標(biāo)號為(……)的服務(wù)器屬于Hc列，其中0≤≤魯一1；另有n／2臺相同標(biāo)號的服務(wù)器屬于H(c+1)列，且都通過列的交換機(jī)連接。如圖2所示，在一個(8，2)CDCN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，每個服務(wù)器列由(8／2)。一16臺服務(wù)器組成，且每個服務(wù)器的編址有兩位標(biāo)號。圖中第一行的服務(wù)器標(biāo)號都為(O0)，而最后一行的標(biāo)號均為(33)。若令(vo)一(0O)，那么在H1列中共有4臺服務(wù)器，它們的標(biāo)號分別是(0)，04≤3，也就是(OO)，(1O)，(20)和(3O)。同樣，在H0列也有4臺標(biāo)號為(Oo)，(10)，(2O)和(3O)的服務(wù)器。這8臺服務(wù)器連在S列的同一交換機(jī)上。

2．2網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)擴(kuò)展性

2．2．1服務(wù)器數(shù)量

在此結(jié)構(gòu)中，每列有(n／2)臺服務(wù)器，在(，)CDCN網(wǎng)絡(luò)中總共有k(n／2)臺服務(wù)器。定義N為(，五)CDCN網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)器總數(shù)，那么N一(n／2)。若采用48端口的Gbit帶寬的交換機(jī)，構(gòu)建3層(48，3)CDCN架構(gòu)，那么該架構(gòu)將有41472臺服務(wù)器。而當(dāng)擴(kuò)建到(48，4)CDCN架構(gòu)時，服務(wù)器的數(shù)量將增至1327104臺；若再在此基礎(chǔ)上增加一層結(jié)構(gòu)，即(48，5)CDCN網(wǎng)絡(luò)，那么該架構(gòu)擁有的服務(wù)器數(shù)量將擴(kuò)展至4千萬臺左右。由此可見，CDCN通過簡單的鏈接實現(xiàn)了較好的擴(kuò)展性。

2．2．2交換機(jī)的數(shù)量

在(，尼)CDCN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，每一個交換機(jī)列擁有(n／2)臺交換機(jī)，總共需要k(n／2)卜臺交換機(jī)。在定義的服務(wù)器標(biāo)識(…vc…)中，若保持標(biāo)號不變，那么總共有(n／2)個連接方式，且每一個連接方式需要一臺交換機(jī)，即一臺交換機(jī)連接臺標(biāo)號為(1……vo)的服務(wù)器(其中o4≤詈一1)，因此構(gòu)建(，z，忌)CDCN網(wǎng)絡(luò)共需要k(n／厶2)臺交換機(jī)。

3路由策略設(shè)計

3．1數(shù)據(jù)包的兩步傳輸

在CDcN網(wǎng)絡(luò)中，包傳輸過程可以分為兩個步驟：第一步是將數(shù)據(jù)包從源服務(wù)器發(fā)送到與目的地址一樣的中間服務(wù)器；第二步是將數(shù)據(jù)包從中間服務(wù)器傳輸?shù)侥康姆?wù)器。例如，源服務(wù)器s發(fā)送一個數(shù)據(jù)包到目的服務(wù)器d，且兩服務(wù)器的編址分別是(G，L)和(，)，其中L和為服務(wù)器S、d的地址標(biāo)識，L一(…)，一(…)，其中L一。其傳輸過程如下。(1)步驟1：螺旋方向傳輸在Hc列中的服務(wù)器S將數(shù)據(jù)包發(fā)送到相鄰服務(wù)器列H(c一1)中的服務(wù)器S，這兩個服務(wù)器的地址標(biāo)識除第C位不同，其余均與s相同，且s的標(biāo)識可以是[0，魯一1]中的任厶意值。或當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)包到S2，Sz除了第((G+1))位不同，其余均與5相同，且Sz的標(biāo)識可以是Eo，n／2—13中的任意值。此時，在傳輸過程中，地址標(biāo)識僅更改一位。因此，當(dāng)數(shù)據(jù)包從一個服務(wù)器列傳輸?shù)巾槙r針相鄰的服務(wù)器列中時，其地址標(biāo)識僅變化一位，并且經(jīng)過忌次節(jié)點跳躍可以達(dá)到任何一個服務(wù)器。例如，在(，忌)C]3CN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)包從(O，0…O)傳輸?shù)揭?，1…1)的途徑為(O，0…O)一(1，0"-01)一(2，0…l1)一…一(志～1，1-．-1)。由于此路徑構(gòu)成了一個螺旋結(jié)構(gòu)，因此稱其傳輸過程為“螺旋方向傳輸”。在落選方式傳輸中，數(shù)據(jù)包既可以向順時針方向傳輸，也可以往逆時針方向傳輸。但是，在傳輸過程中，為了避免傳輸環(huán)路，所選擇的方向必須前后一致。為此，利用數(shù)據(jù)包包頭中一部分區(qū)域來記錄傳輸?shù)姆较蛐畔?。在實現(xiàn)中，默認(rèn)的螺旋傳輸方向為順時針方向。(2)步驟2：環(huán)方向傳輸當(dāng)傳輸?shù)脚c目的服務(wù)器d地址標(biāo)識相同的服務(wù)器d之后，數(shù)據(jù)包將按順時針或者逆時針方向傳輸?shù)较噜彽摹⒕哂邢嗤瑯?biāo)識的服務(wù)器列。在實現(xiàn)過程中，CDCN選擇更短的路徑進(jìn)行傳輸。例如，在H*列服務(wù)器d中傳輸數(shù)據(jù)包到H(ca+)列的服務(wù)器中，此時(Cd+k-*)％愚≤Lk／2J；否則，服務(wù)器d將數(shù)據(jù)包發(fā)送至H(c+㈩)列。但不論往哪個方向傳輸，下一跳服務(wù)器的地址編址必為。在此過程中，數(shù)據(jù)包傳輸路徑猶如環(huán)狀，因此稱該階段為環(huán)方向傳輸。

3．2靜態(tài)路由算法

CDCN采用相對簡單的路由算法實現(xiàn)架構(gòu)內(nèi)部數(shù)據(jù)的有效傳輸，其路由過程如算法1所示。源服務(wù)器地址為(G，L)，目的服務(wù)器為(Cd，L)，D表示傳輸?shù)姆较?，D一1表示順時針方向傳輸，D—一1表示逆時針方向傳輸，在默認(rèn)情況下D一1。算法的輸出是下一跳服務(wù)器地址(，)。算法1StaticRoutingAlgorithm：SRoute(cs，L。，cd，Ld，D)Input：(C，L)表示當(dāng)前運(yùn)行路由算法的服務(wù)器地址；(Ca，Ld)表示目的地址；D表示數(shù)據(jù)包頭中記錄的傳輸方向信息(順時針為1或者逆時針為一1)其中，L一(磚～1…詣)，Ld一(皓一1…硼)。Output：下一跳服務(wù)器地址(，)。1if{(Ca+k-C)k≤1andL。一vCs—La—vcs)or{(cs+k-Cd)k≤1andLd—vcd—L一v}then／*L—v表示刪去標(biāo)識L噶第cs位*／2Ca—Cd；—3else／*S不能直接達(dá)到目的地址*／4ifL。一一then—Ld；／*平面環(huán)型方向上*／5if(Cd+k—Cd*)k≤Lk／ZJ)then6C一(C。+1)k7else(二u一(C。+k一1)k8else一(…va．．•)；／*豎直螺旋方向上*|lO【二u一(C。+D一1)k；11return((二u，)；在路由算法1中，并沒有計算在兩服務(wù)器之間的最短路徑。但是，算法1產(chǎn)生的路徑長度是有上限的。在此，對算法中可能產(chǎn)生的最長路徑進(jìn)行分析。在此過程中，將連接在一個Layer-2交換機(jī)中的兩個服務(wù)器之間的包傳輸視為一次跳躍。從源服務(wù)器5出發(fā)，數(shù)據(jù)包最多經(jīng)過忌次跳躍，先通過螺旋方向傳輸，到達(dá)服務(wù)器d(服務(wù)器d與目的服務(wù)器d擁有相同的地址標(biāo)識)。然后，經(jīng)服務(wù)器d出發(fā)，在環(huán)型方向經(jīng)過最多Lk／zj次跳躍，達(dá)到目的服務(wù)器d。由此可見，在(，忌)C~X2N架構(gòu)中，路由算法1產(chǎn)生的最長路徑為+Lk／zj。

3．3容錯路由策略

3．3．1在豎直螺旋方向中的容錯方法

在螺旋方向的途徑中，CDCN通過迂回的傳輸方式繞過出錯節(jié)點，將數(shù)據(jù)包發(fā)送到與目的地址標(biāo)識相同的服務(wù)器。之后，在環(huán)型方向上傳輸數(shù)據(jù)包到達(dá)目的服務(wù)器。在螺旋方向上的容錯過程可分為3個步驟：如果在順時針方向下一跳服務(wù)器出錯，那么首先將數(shù)據(jù)包傳輸?shù)巾槙r針方向相鄰服務(wù)器列；如果在順時針方向下一跳服務(wù)器列中服務(wù)器均出錯，那么數(shù)據(jù)包將掉頭，向逆時針方向傳輸；在調(diào)轉(zhuǎn)傳輸方向之后，數(shù)據(jù)包將一直沿著逆時針方向以螺旋式路徑傳輸。

3．3．2在水平環(huán)型方向中的容錯方法

環(huán)型傳輸過程僅有兩個方向：順時針和逆時針。當(dāng)數(shù)據(jù)包沿著一個方向傳輸過程遇到出錯節(jié)點時，將改變傳輸方向，沿著相反的方向傳輸。為了避免產(chǎn)生傳輸環(huán)路，傳輸方向僅能改變一次。若數(shù)據(jù)包在沿著改變之后的方向傳輸中還遇到出錯節(jié)點，CD(節(jié)點將丟棄該包。

4網(wǎng)絡(luò)性能測試

4．1單節(jié)點性能

在測試過程中，采用普通計算機(jī)作為CDCN中網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，實現(xiàn)路由策略以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。計算機(jī)配置為Intel2．8GHz雙核CPU及2GB內(nèi)存。服務(wù)器P是CDCN架構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，實現(xiàn)服務(wù)器A與B之間的通信。在服務(wù)器P中，為每一個數(shù)據(jù)包計算路由信息所需要的CPU時鐘周期，并進(jìn)行統(tǒng)計分析。通過測試，CIN2N中靜態(tài)路由算法平均需要90個CPU周期計算出一個數(shù)據(jù)包的下一跳地址；而容錯路由算法則需要大約250個CPU周期為一個數(shù)據(jù)包獲得下一跳地址。為與一般的查詢過程進(jìn)行對比，在相同測試平臺中，服務(wù)器P運(yùn)行ClickRouter程序進(jìn)行IP路由查詢，實驗結(jié)果如圖3所示。當(dāng)路由表中只有128條路由信息時，路由器需要600多個CPU時鐘周期來獲得一個數(shù)據(jù)包的下一跳地址信息；當(dāng)路由表信息量增大時，IP路由器將需要更多的時間完成路由查詢工作。：c，--t．rr．：．_：rr：：：／：：r：：rrr。r：，：r，：：，，•l／：r：：：。

4．2平均路徑長度

在此實驗中，我們采用12個端口的交換機(jī)，即一12，且服務(wù)器的列數(shù)是可擴(kuò)展的。在測試網(wǎng)絡(luò)性能過程中，選取100，000個隨機(jī)源與目的地址對，仿真數(shù)據(jù)包在實際網(wǎng)絡(luò)中的路由和傳輸情況。圖4、圖5描述了平均路徑長度的實驗結(jié)果。在服務(wù)器不斷擴(kuò)展過程中，路由過程的平均路徑長度與服務(wù)器層數(shù)呈線性增長關(guān)系。對于層數(shù)為忌的CDCN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，仿真實驗中的平均路徑長度與最短路徑相差不大，尤其是當(dāng)服務(wù)器列數(shù)較少的時候；同時，與最長路徑忌+Lk／2相比，一般平均路徑縮短了2O％，實驗結(jié)果如圖4所示。隨著出錯的服務(wù)器數(shù)量不斷增長，路由中平均路徑的長度也隨之增加，但是，在此過程中，即使出錯節(jié)點數(shù)量增至300，網(wǎng)絡(luò)傳輸中依然沒有發(fā)生任何包丟棄的現(xiàn)象。

4．3在容錯路由策略中平均路徑長度

此外，對容錯路由策略也進(jìn)行了性能仿真測試。實驗中，采用(12，4)CIX；N的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。每次測試中，隨機(jī)選取一定數(shù)量的服務(wù)器作為出錯節(jié)點，并隨機(jī)選擇100，000對源與目的地址，測試容錯路由算法的運(yùn)行情況。如圖5所示，出錯節(jié)點的數(shù)量從1增至300，建立平均路徑長度與出錯節(jié)點數(shù)量之間的關(guān)系。(12，4)CIX~N網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中擁有5，000臺服務(wù)器，若其中300臺出錯，其出錯概率已達(dá)到6％，網(wǎng)絡(luò)傳輸中依然沒有發(fā)生任何包丟棄的現(xiàn)象。