FSDC：灵活的高可扩展数据中心网络结构.docx资源-CSDN文库

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数据中心网络是云计算的基础

[1]

,许多在线服务,如搜索、邮件、视频流以及

基础设施服务,如 GFS（Google file system）

[2]

、Map-Reduce

[3]

、BigTable

[4]

等,都是通过数据中心网络为用户提供服务的。数据中心网络是由海量服务器、

存储设备和网络设备构成的一个网络结构。这意味着,数据中心网络结构的设

计对整个数据中心网络的性能起着重要作用

[5,6]

。

根据服务器是否参与数据转发,数据中心网络结构可以划分为两类：以交

换机为中心的互连结构和以服务器为中心的互连结构。典型的以交换机为中心

的数据中心网络结构通常为层次型结构,并且能支持部署数以万计的服务器。

与此相对 , 以服务器为中心的数据中心网络结构借助服务器的网络接口卡

（network interface controller, NIC）完成数据转发。通过大量服务器 NIC 之

间的连接以及低端交换机的使用,避免了以交换机为中心方案的布线复杂和高

昂的交换机成本。

近年来,随着数字化信息的普及,网络数据量呈现海量增长。为了处理这些

海量增长的数据,许多大型数据中心被构建起来。这些大型数据中心中含有海

量的硬件、软件和数据资源,可以动态为数百万用户提供服务。然而,随着网络

数据量和用户数量的不断增加,数据中心需要不断扩展,例如：谷歌的数据中心

的数据量大概每年翻一番

[7]

。随着 5G 网络在世界各地投入使用,全球范围内接

入到互联网的终端设备将大大增加。因此,未来数据的增加速度将比以往更快。

数据量的增长对数据中心网络的设计提出了更高的要求

[8]

：

（1）高扩展性：为了应对快速增长的业务需求和数据量,数据中心网络需

要不断地添加设备以提升整个网络的计算和储存能力,而在扩展过程中,当前网

络的性能不会受到影响。

（2）高带宽：随着不同在线应用的出现,数据中心的流量特性也发生了巨

大变化,从原来 80%的外部用户与数据中心内部服务器之间交互的“南北”流量,

变为 80%的需要大量服务器协同完成工作的“东西”流量

[9,10]

。高带宽是数据中

心网络性能的重要指标。

（3）高容错率：设备和链路的故障会严重影响数据中心网络的性能。随

着数据中心规模的不断变大,故障也会变得越发频繁。如何在故障条件下保持

网络的整体性能也是设计网络结构的巨大挑战。

（4）成本效益：当前数据中心的花费主要由四部分组成,45%用于服务器

（中央处理器、内存和存储系统）,25%用于基础设施（电力调配和散热）,15%

用于能耗（电力成本）,15%用于网络（链路、传输设备）

[11]

。数据中心网络的

设计必须在性能和成本之间取得平衡

[12]

。

为此 , 本文提出了一种基于笛卡尔乘积图

[13]

的新型数据中心网络结构

FSDC（flexible and highly scalable data center network）。采用不同结构的

基础图可以构建不同类型的笛卡尔乘积图。基于不同的笛卡尔乘积图,可以采

用商用 m 端口交换机和 2 端口服务器构建不同类型的 FSDC 数据中心网络结

构。由于笛卡尔乘积图底层基础图的不同,FSDC 数据中心网络可以以不同的规

模进行扩展,具有良好的灵活性和高可扩展性。

通过对 FSDC 拓扑性质的分析、能耗对比分析以及吞吐量模拟实验,结果

表明,与当前其他数据中心网络结构相比,FSDC 在性能和成本效益方面取得了

良好的平衡。

1 相关工作

随着近年来大数据以及云计算的快速发展,学术界和工业界都对数据中心

网络开展了许多研究工作

[14,15,16]

。

考虑到传统三层结构的不足 ,Fares 等人提出了一种改进的三层结构 ,即

FatTree

[17]

。该结构可使用大量链路和小型交换机进行扩展,通过部署大量的冗

余交换机和链路,FatTree 能实现 1：1 的超额订购。VL2

[18]

和 Potland

[19]

都是基

于 FatTree 的结构构建的,它们分别通过平面寻址和分层寻址提供“即插即用”的

功能。然而 ,FatTree 的可扩展性受限于交换机端口数目 ,即 ,如果需要扩展

FatTree,则必须更换高层的交换机以提供更多的交换机端口。随着层数的不断

增加,FatTree 的构建成本会不断升高。

DCell

[20]

是一种递归定义的数据中心结构,DCell 结构中的服务器具有多端

口网卡。高层的 DCell 通过一定数量的底层 DCell 互相连接而构建。DCell 利

用其分布式容错路由协议将流量均匀分散到不同链路当中,以实现高容错和高

带宽。DCell 使用多端口服务器和复杂的布线来替代昂贵的核心交换机,而使用

多端口的服务器会增加成本开销。

BCube

[21]

利用服务器的多端口进行拓扑的连接。将数据中心硬件设备部署

在集装箱中,减轻了 BCube 布线的问题,最大化其链路资源丰富的优势,使得部

署更加简单。当需要扩展时 , 只需互连若干个规模相同的集装箱即可。此

外,BCube 使用多端口服务器互连多个交换机,并把路由线路的选择放置在服务

器上。实验证明,BCube 能支持各种带宽密集型的应用程序,并且拥有良好的容

错能力,但是大规模使用多端口服务器不可避免地会带来开销增加。

XDCent

[22]

使用多端口的服务器进行数据中心网络结构的构建 , 并且与

BCube 的连接模式非常相似。XDCent 首先依照 BCube 的互连方式构建数据

中心网络,直到各个服务器只剩余 1 个端口。然后,利用各服务器剩余的端口,采

用非完整复合图方式进行连接,确保了整个结构能持续扩展。

FiConn

[23]

是一种以服务器为中心数据中心结构,采用 2 端口的服务器和低

端商用交换机构建。与 DCell 相似,FiConn 也是通过递归方法构建的。与 DCell

不同,FiConn 在递归扩展过程中会预留一部分服务器端口用于以后的扩展。也

就是说 ,FiConn 的扩展过程不受交换机端口数和服务器端口数的限制。在

FiConn 中,同一层但不同分区的部分进行通信时,只依赖于一条链路,导致对分

带宽较低,吞吐量和容错性受到较大的影响。

不同于现有的结构,本文提出了一种全新数据中心网络结构 FSDC,它拥有

以下的特性：

（1）灵活扩展：FSDC 不仅拥有高扩展性,并且能根据现实需求来选择不

同的扩展规模。

（2）成本效益：FSDC 具有较好的成本能耗优势。

（3）高容错性：FSDC 提供了一种高效的容错路由机制来应对数据中心

可能出现的各种类型故障,保证了通信效率。

2 FSDC 网络架构

本章首先介绍笛卡尔乘积图的定义;随后给出 FSDC 网络结构的构建方法,

并且分析其拓扑特性;最后根据其拓扑特性设计出 FSDC 结构的路由算法。表 1

列出了本文中常用的一些符号。

表 1 文中常用符号

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