一种高容错性和强扩展性的数据中心网络结构的制作方法

本发明涉及数据中心网络结构，具体涉及一种高容错性和强扩展性的数据中心网络结构。

背景技术：

伴随着云计算、物联网和其它新兴互联网业务的快速发展，目前全球已进入了数据爆炸时代；根据国际数据公司发布的数字宇宙报告，预计到2020年全球数据总量将达到惊人的40zb；思科在《物联网产品和应用案例介绍及创新产品发布》中提出，到2020年全球将增加500亿台连接设备，这些连接设备将会产生大量的数据；作为云计算等新型应用服务的核心基础设施，数据中心近年来成为了学术界和工业界的关注焦点；数据容量和业务用户的激增使得数据中心规模急剧增加；可以想见，成千上万台服务器之间频繁的高速交互通信对于数据中心网络的容量和能耗要求绝对是技术上的重大挑战；数据中心网络是数据中心的核心组件，它通过高速链路和交换机支持数万至数十万台服务器间的互联，为上层计算服务提供高效的网络通信和数据传输保障；其互联方式和组网架构对于数据中心的传输性能、能效和成本具有非常重要的作用。

传统的基于二进制启闭键控ook调制格式的电互联树形数据中心网络由于传输效率低、电缆带宽受限、传输能耗大等问题，随着信息流的不断增长，在吞吐量、能效和安全等方面存在严重的发展瓶颈；对于现在面临的云计算的大数据处理要求，传统数据中心网络已远不能起到很好的作用；传统数据中心网络因其树形拓扑结构的特性，在容错性方面存在网络单点失效问题，一旦网络规模较大，高层设备的故障会导致部分下层链路无法使用；经典的fat-tree网络结构消除了传统树形结构上层链路对吞吐量的限制，但其处理交换机能力不足，对底层交换设备故障敏感，使其在容错性方面仍有限制；目前存在的引入光交换的拓扑方案，如vl2、osa、helios等都是依靠光交换网络为上层应用设备提供高宽带及网络资源动态配置而有效降低组网的复杂度，但是不可避免的出现了时延问题并且限制了突发流量，因而降低其容错性。

技术实现要素：

本发明提供一种数据传输速率高、容错性高、负载均衡性好，并可扩展的高容错性和强扩展性的数据中心网络结构。

本发明采用的技术方案是：一种高容错性和强扩展性的数据中心网络结构，由四个交换机构成一个结构单元，其中三个相互连接构成边长为l的等边三角形，另一个位于等边三角形的中心位置，并同时与另外三个相互连接；由上述结构单元紧密连接构成n级单层结构，去除重复的节点后构成边长为nl的等边三角形，n为大于等于1的整数；m个单层结构层状排列形成数据中心网络结构，m为大于等于1的整数；相邻两层之间距离相同；层与层之间对应交换机之间连接，每个交换机均与终端节点连接；每一层上有一个交换机连接客户端，其他交换机连接服务器端；相邻层上连接客户端的交换机并不对应。

进一步的，所述数据中心网络复合体架构中交换机数量为：

进一步的，所述单层结构中的三接口交换机数量为：

进一步的，所述单层结构中的七接口交换机数量为：

3×(n-1)(n≥2)。

进一步的，所述单层结构中的十二接口交换机数量为：

进一步的，所述数据中心网络结构中n为1，m为3。

本发明的有益效果是：

(1)本发明构建的数据中心网络结构引用概率的思想来分配数据中心的网络资源，引入冗余设备提高网络宽带，增加冗余路径，进而提高了网络的容错性；

(2)本发明构建的数据中心网络结构可基于横向和纵向进行双向扩展，明显提高了网络的可扩展性；

(3)本发明构建的数据中心网络结构对网络资源的利用更加合理化，网络的性能更加稳定、可靠和强大。

附图说明

图1为实施例中数据中心网络结构模型图。

图2为现有胖树结构模型图。

图3为结构单元的模型图。

图4为结构单元结构点对之间的有效路径。

图5为二级单层结构模型图。

图6为三级单层结构模型图。

图7为本发明实施例1中胖树结构和本发明结构时延对比示意图；a为本发明结构，b为胖树结构。

图8为本发明实施例1中胖树结构和本发明结构吞吐量对比示意图；其中a为第一组发送速率示意图，b为第一组接收速率示意图，c为第二组发送速率示意图，d为第二组接收速率示意图，e为第三组发送速率示意图，f为第三组接收速率示意图；a为本发明结构，b为胖树结构。

图9为本发明实施例2中胖树结构和本发明结构时延对比示意图；c为部分路径失效结构，d为本发明完整结构。

图10为本发明实施例2中胖树结构和本发明结构吞吐量对比示意图；其中a为第一组发送速率示意图，b为第一组接收速率示意图，c为第二组发送速率示意图，d为第二组接收速率示意图，e为第三组发送速率示意图，f为第三组接收速率示意图；c为部分路径失效结构，d为本发明完整结构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1、3、5和6所示，一种高容错性和强扩展性的数据中心网络结构，由四个交换机构成的结构单元，其中三个相互连接构成边长为l的等边三角形，另一个位于等边三角形的中心位置，并同时与另外三个相互连接；由上述结构单元紧密连接构成n级单层结构，去除重复的节点后构成边长为nl的等边三角形，n为大于等于1的整数；m个单层结构层状排列形成数据中心网络结构，m为大于等于1的整数；相邻两层之间距离相同；层与层之间对应交换机之间连接，每个交换机均与终端节点连接；每一层上有一个交换机连接客户端，其他交换机连接服务器端；相邻层上连接客户端的交换机并不对应。

进一步的，所述数据中心网络结构中交换机数量为：

进一步的，所述单层结构中的三接口交换机数量为：

进一步的，所述单层结构中的七接口交换机数量为：

3×(n-1)(n≥2)。

进一步的，所述单层结构中的十二接口交换机数量为：

进一步的，所述数据中心网络结构中n为1，m为3。

下面以一级单层结构，构建三层的数据中心网络结构为例进行说明，其模型如图1所示；同一层中的四个交换机中，其中三个交换机相互连接构成等边三角形，另一个位于等边三角形的中心位置，并与其它三个交换机连接；每一层中有一个交换机连接客户端，其它交换机连接服务器端；层与层之间对应交换机之间连接，相邻层上连接客户端的交换机并不对应；每个结构单元中的四个交换机在逻辑连接上是等价的，每个交换机都与其它三个交换机直接相连，且任意两个交换机之间存在五条路径，如图4所示。

层与层之间，对应的交换机直接相连，可根据具体的需求确定网络中的层数，最终搭建完整的数据中心网络结构；当完成层间连接后，交换机不仅与同一层的交换机直接相连还与相邻层的一个或两个交换机直接相连，因此在本实施例中交换机都可以与四个或五个交换机直接相连；数据中心网络结构扩展主要是横向扩展，如本实施例中的单层结构横向扩展后形成的二级和三级结构单层结构连接关系如图5和图6所示；层与层之间的连接方式如本实施例中相同，扩展后数据中心网络结构中交换机的数量如表1所示。

表1.单层结构中所包含的交换机数量

胖树结构是在数据中心网络结构中占据重要地位的一款功能强大的经典结构，其结构如图2所示；2008年，ai.fares等人提出了一种可扩展性好的数据中心网络体系结构fa-tree；基于clos拓扑结构，把廉价的商用交换机连接起来，为数据中心网络中的任意两个服务器之间的通信提供了全宽带；整个拓扑结构分为三层，自上而下分别为边缘层edge、汇聚层aggregation和核心层core；其中汇聚层交换机与边缘层交换机构成一个pod，交换机设备均采用商用交换设备。

为了说明本发明结构的效果，现采用胖树结构与本发明进行参数设置并搭建相应模型；从宏观上对胖树和本发明数据中心网络结构的网络硬件设备进行对比，主要对比参数有交换机数量、链路数量、服务器数量、客户端数量、平均路径长度；其中，平均路径长度是指各客户端交换机到各个服务器端交换机的最短路径的平均值；其具体参数如表2所示，经对比可以看出，胖树结构的交换机数量和平均路径长度是本发明数据中心网络结构的两倍左右，链路数量也高于本发明结构的链路数量；服务器数量比本发明结构少一个；但是胖树结构的客户端数量比本发明结构的多一个；因此，总体而言本发明结构对网络资源量占用相对较少，对每一种网络资源的利用都比较充分。

表2.胖树结构与本发明结构参数对比

分别用opnet软件自带的模型库中的交换机、链路和工作站搭建胖树结构和本发明结构如图1和图2所示；由于胖树结构中有八个服务器而本发明结构中有九个服务器，为了统一变量，选择本发明结构中的八个服务器和胖树结构中的八个服务器建立一一对应关系，并且分别为八对服务器配置八种应用；由于胖树结构有四个客户端而本发明有三个客户端，为了统一变量，选择胖树结构中的三个客户端和本发明中的三个客户端建立一一对应关系，并且分别为三对客户配置三个概要，三个概要是分别独立地在八个应用中选择了四种进行并发访问；设定仿真时间。

实施例1

用opnet网络仿真软件对本发明结构和胖树结构进行性能仿真，仿真中用控制变量法；设定仿真时间为10分钟，对两个网络的时延和客户端吞吐量的结果进行对比。

进行无故障性能分析，其时延结果如图7所示，图7中纵坐标表示网络结构的时延，其单位为秒；从图中可以看出本发明结构的时延要小于胖树结构的时延，体现了本发明结构平均路径短的优势；其三组客户端的发送和接收速率如图8所示，图8中纵坐标表示客户端直接相连的那几条链路的数据传输效率，单位为每秒数据包的个数，反映出客户终端的吞吐量，从而体现出两个网络架构提供数据交换的能力；从第一组客户端中可以看出(如8中a、b所示)，本发明结构的吞吐量明显高于胖树结构的吞吐量；从第二组客户端中可以看出(如图8中c、d所示)，本发明结构的吞吐量略高于胖树结构的吞吐量；从第三组客户端中可以看出(如图8中e、f所示)，本发明结构的吞吐量和胖树结构的吞吐量接近；整体来看，本发明结构的吞吐量要高于胖树结构的吞吐量。

实施例2

用opnet网络仿真软件对本发明结构和胖树结构进行性能仿真，仿真中用控制变量法；设定仿真时间为10分钟，对两个网络的时延和客户端吞吐量的结果进行对比。

进行容错性验证，在保证整个网络连通的情况下，使本发明结构的12条路径失效，然后进行仿真并和完整结构进行仿真结果进行对比；其时延结果如图9所示，图9中纵坐标表示网络结构的时延，其单位为秒；部分链路失效的网络结构时延要低于完整结构的时延；完整结构和部分链路失效结构的三组客户端的发送和接收速率进行对比，如图10所示；图10中纵坐标表示客户端直接相连的那几条链路的数据传输效率，单位为每秒数据包的个数，从图中可以看出，三组客户端的吞吐量的差距很小，甚至没有差距，说明部分链路的失效对于整个网络性能的影响很小或者没有影响。

本发明数据中心网络结构中每个交换机都与终端节点相连，与客户端连接或者与服务器连接；因此整个网络中的交换机可以分为两类，即与客户端相连的客户端交换机和与服务器相连的服务器端交换机；数据中心网络就是为服务器与客户之间的数据交换提供服务的，在一个数据中心网络结构中采用何种策略接入客户和服务器这两种终端节点关系着网络的服务能力和整体性能，是涉及数据中心网络结构的关键一步；本发明实施例中结构(即n＝1，m＝3)中每一层选择三个交换机与服务器相连，另外一个交换机与客户节点相连，并且不同层上的客户端不在同一列；这样每一个客户端交换机就能与至少四个服务器交换机直接相连，客户端就可以并发的访问多个服务器的应用；不仅大大提高了网络的服务能力，还缩短了网络中数据传输所经过的路径，降低网络负荷，使得网络的性能更加稳定，容错性更好。

本发明的数据中心网络结构引用概率的思想来分配数据中心的网络资源，引入冗余设备提高网络带宽，增加网络的冗余路径，进而提高了网络的容错性；可基于横向和纵向进行双向扩展，明显提高了网络的可扩展性；经过opnet网络仿真软件对本发明结构和胖树结构进行性能仿真对比，棱锥复合体新型架构在容错性和负载均衡方面都表现出一定的优势，使得对网络资源的利用更加合理化，网络的性能也更加稳定、可靠、强大。