可重构Fat-Tree混合数据中心网络的节能部署方法与流程

本发明属于数字交换网络的维护或管理技术领域，尤其涉及一种可重构fat-tree混合数据中心网络的节能部署方法。

背景技术：

目前，业内常用的现有技术是这样的：近年来，随着云计算和大数据的快速发展，已经建立了越来越多的数据中心来提供大量的在线应用和基础设施服务。当今的数据中心设计有数十万台服务器，通过交换机，路由器和高速链路等网络设备互连，构建数据中心网络(datacenternetwork，dcn)。随着服务和应用不断增长的需求，要求dcn具备包括高可靠性，高成本效益和高吞吐量在内的各种要求。虽然最先进的数据中心已经引入了复杂的拓扑结构来部署更高效的dcn，例如fat-tree，vl2和dcell。但是，固定的有线拓扑结构可扩展性差、布线及维护成本高、带宽利用效率低等缺点。为了满足不平衡、不可预测的网络流量需求，有线拓扑需要采用高昂成本的无阻塞拓扑设计，或是采用低成本的过载率设计，而过载率设计容易产生热点问题从而导致网络效率下降，所以仅通过有线拓扑结构仍难以在高效率和低成本要求之间取得平衡。通过在架顶(topofrack，tor)交换机上安装可重配的无线设备构建混合数据中心网络被证明可有效解决这一问题。然而无线传输受到传输距离，阻挡和干扰的限制，对于建立无线链路和路由流量是非常具有挑战性的。根据传输限制，每个tor可能具有连接到其他tor的多个可能的无线链路，构建无线拓扑。由于可重配无线定向传输范围的限制，在混合数据中心网络中，其建立无线的效用受到其固有有线拓扑的影响，而基于fat-tree有线拓扑的fat-tree混合数据中心网络，由于其有线拓扑特征，建立pod层间的无线链路比在pod内建立无线链路更有效且更节能，并且通常混合数据中心的无线拓扑的连通度在空间上并不是均匀的，而现有fat-tree混合数据中心网络的构建并没有考虑有线和无线的这些拓扑特征。因此，现有fat-tree混合数据中心网络的构建存在无线使用效率低，无线链路部署不均匀的缺陷。通过对fat-tree混合数据中网络的优化部署，可以显著提升无线网络的使用效率和节能效率；不考虑网络的有线拓扑特征，仅仅通过简单部署无线链路很难高效地利用无线链路。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有的fat-tree混合数据中心网络可重配的无线的部署没有综合考虑有线拓扑特征和无线拓扑特征，导致无法充分利用无线优势，造成无线资源的浪费；由于无线网络的部署不均衡，导致建立无线链路无法有效缓解拥塞和降低网络能耗。

解决上述技术问题的难度和意义：fat-tree混合数据中心网络的节能部署需要结合有线和无线拓扑图，实现pod层的部署。解决该问题既要考虑最大化pod层间的无线链路，以及均匀部署pod层间的无线链路，随着网络规模的增大，无线拓扑的规模也增大，从而导致获得优秀部署结果的难度较高。解决该问题将对构建fat-tree混合数据中心网络的性能界限的提升带来很大的帮助，为路由和调度提供良好的混合网络拓扑条件，从而实现节能混合数据中心网络的构建。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种可重构fat-tree混合数据中心网络的节能部署方法。

本发明是这样实现的，一种可重构fat-tree混合数据中心网络的节能部署方法(fat-tree混合数据中心网络，即为通过在基于fat-tree拓扑的有线架构下的tor上安装可重配无线链路所构成的混合数据中心网络)，所述可重构fat-tree混合数据中心网络的节能部署方法根据不同tor(架顶，topofrack，tor)部署可重配无线技术获得混合数据中心的无线拓扑图；结合fat-tree有线拓扑特征构造部署方案种群及适应度函数；采用贪心随机适应算法实现fat-tree数据中心网络有线无线联合优化；

所述可重构fat-tree混合数据中心网络的节能部署方法构造k²/2×k的部署方案矩阵p＝[p0,p1,...,pm-1]^t，其中属性向量pi(0≤i≤m-1,m＝k²/2)为rⁿ(n＝k)的单位向量，其为1的元素的索引表示第i个tor所部署pod层的编号；

所述可重构fat-tree混合数据中心网络的节能部署方法的适应度函数为：

从g中获取对角元素集合从d中获取上三角元素集合

进一步，所述可重构fat-tree混合数据中心网络的节能部署方法包括以下步骤：

步骤一，根据数据中心网络的机架摆放及无线的架构设计构建tor无线网络拓扑图及其毗邻连接矩阵，并获得fat-tree网络的规模参数；

步骤二，根据fat-tree网络拓扑特征构造部署方案矩阵，并根据tor无线拓扑图及其毗邻连接矩阵构造适应度函数；

步骤三，采用贪心随机适应算法对种群进行迭代，获得最优的部署方案。

进一步，所述可重构fat-tree混合数据中心网络的节能部署方法的无线网络拓扑构建通过在fat-tree混合数据中心的所有tor上安装可重配无线天线，根据可重配无线的定向传输距离以及视距阻挡限制，得出tor间所有可能的无线链路，并以tor为顶点v，无线链路为边e构造无线拓扑图g＝(v,e)，根据拓扑图g构造tor邻接矩阵a。

进一步，所述可重构fat-tree混合数据中心网络的节能部署方法的贪心随机适应算法包括：

第一步，构造部署方案矩阵。

构造k²/2×k的部署方案矩阵p＝[p0,p1,...,pm-1]^t，其中属性向量pi(0≤i≤m-1,m＝k²/2)为rⁿ(n＝k)的单位向量，其为1的元素的索引表示第i个tor所部署pod层的编号；

第二步，构造适应度函数；

(1)通过tor邻接矩阵a和部署方案矩阵p计算pod层互联度矩阵；

为一个k×k的矩阵，表示pod层tor之间可能的无线链路数，其中di,j表示第i个pod层和第j个pod层之间可能的无线链路数；

(2)从g中获取对角元素集合其中元素表示pod层内可能的无线链路数，通过如下公式计算其二阶矩：

(3)从d中获取上三角元素集合其中元素表示pod层间可能的无线链路数，通过如下公式计算其方差：

(4)通过和var(dinter)获得适应度函数

第三步，算法迭代：

(1)随机生成m个可行方案作为最初的一代种群，令最优适应度fmax＝0；

(2)根据适应度函数f计算种群中的个体的适应度，采用轮盘赌注算法随机选择m个个体由表示；

(3)对中的所有个体执行贪心随机进化策略获得新的个体并加入

(4)对中的所有个体以概率pm执行重排序变异算子产生新的一代种群

(5)获得种群中的最优个体若f(p′)＞fmax，则y←p′，fmax←f(p′)；

(6)重复执行(2)-(5)，直到连续代种群没有比前一代更高适应度的个体产生迭代终止，输出最优个体y。

进一步，所述可重构fat-tree混合数据中心网络的节能部署方法的贪心随机进化具体包括以下步骤：

(1)初始化输出个体y←p，及最优适应度fm←f(p)；

(2)产生一个[0,k-1]的随机整数采样对(u,v)，通过交换输入个体p中的属性向量获得新的个体p′；

(3)循环执行n次(1)和(2)，若f(p′)＜fm，则y←p′，并跳出循环，最终输出个体y。

进一步，所述可重构fat-tree混合数据中心网络的节能部署方法的重排序变异算子具体包括以下步骤：

(1)初始化输出个体y←p，产生一个[0,1)的随机数δ，若δ＜pm则执行(2)，否则直接输出y；

(2)产生一个的随机整数ω，循环执行ω+1次(3)；

(3)产生一个[0,k-1]的随机整数采样对(u,v)，交换个体y中的属性向量

(4)输出个体y。

本发明的另一目的在于提供一种实施权所述可重构fat-tree混合数据中心网络的节能部署方法的服务器。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述可重构fat-tree混合数据中心网络的节能部署方法的交换机。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述可重构fat-tree混合数据中心网络的节能部署方法的路由器。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述可重构fat-tree混合数据中心网络的节能部署方法的高速链路网络设备系统。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明解决了在fat-tree架构数据中心的tor上部署有线无线混合拓扑的问题；充分考虑fat-tree拓扑特征，通过联合有线和无线拓扑，采用贪心随机适应(greedyrandomadaption，gra)算法获得部署可重配fat-tree混合数据中心网络的优化方案；通过最大化可能的pod间无线链路数并均匀部署无线链路到不同的pod对上，进而提升无线缓解拥塞的能力及无线链路的节能效率，如图5和图6所示，在所测试的flyway场景下，随着fat-tree网络规模增大，对比按排分簇(rowcluster，rc)和按列分簇(columncluster，cc)的常规部署方法，即将每个pod层的tor都部署到同一行或同一列中的部署方法，gra部署都具有更低的平均路径长度，同时gra的无线平均减少的交换机使用量收敛于2.0左右，而rc和cc的常规部署方法迅速下降到了1.0以下。降低网络的平均路径长度，能够提升无线缓解网络拥塞的能力，而无线减少使用更多的交换机可以有效提升无线链路的节能效率，从而实现混合数据中心网络的高效节能部署。

本发明通过适应度函数，充分考虑fat-tree架构下多pod层结构中tor之间的关系；利用pod间无线链路的高效节能特性，同时考虑网络中流量分布的不确定性，使混合网络具有更高的节能效率。本发明采用贪心随机适应算法，充分结合了贪心算法逼近性能以及随机搜索的全局收敛特性，获得适应度更高的部署方案个体。

附图说明

图1是本发明实施例提供的可重构fat-tree混合数据中心网络的节能部署方法流程图。

图2是本发明实施例提供的可重构fat-tree混合数据中心网络的节能部署方法实现流程图。

图3是本发明实施例提供的贪心随机进化的子流程图。

图4是本发明实施例提供的重排序变异算子的子流程图。

图5是本发明实施例提供的平均路径长度分析结果示意图。

图6是本发明实施例提供的平均减少的交换机使用量分析结果示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有的fat-tree混合数据中心网络可重配的无线的部署没造成无线资源的浪费；无法有效缓解拥塞和降低网络能耗的问题。本发明在fat-tree混合dcn中，tor被分为两种类型：同一pod内的tor(pod内tor)和不同pod之间的tor(pod间tor)；由于不同pod之间的无线链路可以在很大程度上减少交换机的使用和由多跳传输引起的成本，在pod间tor交换机之间建立无线链路比在pod内建立无线链路更有效。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的可重构fat-tree混合数据中心网络的节能部署方法包括以下步骤：

s101：根据数据中心网络的机架摆放及无线的架构设计构建tor无线网络拓扑图及其毗邻连接矩阵，并获得fat-tree网络的规模参数；

s102：根据fat-tree网络拓扑特征构造部署方案矩阵，并根据tor无线拓扑图及其毗邻连接矩阵构造适应度函数；

s103：采用贪心随机适应算法对种群进行迭代，获得最优的部署方案。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

如图2所示，本发明实施例提供的可重构fat-tree混合数据中心网络的节能部署方法具体包括以下步骤：

步骤一，无线网络拓扑构建。

通过在fat-tree混合数据中心的所有tor上安装可重配无线天线，根据可重配无线的定向传输距离以及视距阻挡限制，得出tor间所有可能的无线链路，并以tor为顶点v，无线链路为边e构造无线拓扑图g＝(v,e)，根据拓扑图g构造tor邻接矩阵a。

步骤二，贪心随机适应算法。

第一步，构造部署方案矩阵。

构造k²/2×k的部署方案矩阵p＝[p0,p1,...,pm-1]^t，其中属性向量pi(0≤i≤m-1,m＝k²/2)为rⁿ(n＝k)的单位向量，其为1的元素的索引表示第i个tor所部署pod层的编号；

第二步，构造适应度函数。

在fat-tree架构的混合数据中心网络中，建立pod层间的无线链路较pod层内的无线链路具有更好的能效。因此适应度函数以最小化pod内无线链路的部署并均匀部署pod层间的无线链路为目标。构造适应度函数的具体步骤如下：

(2a)通过tor邻接矩阵a和部署方案矩阵p计算pod层互联度矩阵；

为一个k×k的矩阵，表示pod层tor之间可能的无线链路数，其中di,j表示第i个pod层和第j个pod层之间可能的无线链路数。

(2b)从g中获取对角元素集合其中元素表示pod层内可能的无线链路数，通过如下公式计算其二阶矩：

(2c)从d中获取上三角元素集合其中元素表示pod层间可能的无线链路数，通过如下公式计算其方差：

(2d)通过和var(dinter)获得适应度函数

(3)算法迭代：

(3a)随机生成m个可行方案作为最初的一代种群，令最优适应度fmax＝0；

(3b)根据适应度函数f计算种群中的个体的适应度，采用轮盘赌注算法随机选择m个个体由表示；

(3c)对中的所有个体执行贪心随机进化策略获得新的个体并加入

(3d)对中的所有个体以概率pm执行重排序变异算子产生新的一代种群

(3e)获得种群中的最优个体若f(p′)＞fmax，则y←p′，fmax←f(p′)；

(3f)重复执行步骤(3b)—(3e)，直到连续代种群没有比前一代更高适应度的个体产生迭代终止，输出最优个体y；

如图3所示，本发明实施例提供的贪心随机进化具体包括以下步骤：

(a)初始化输出个体y←p，及最优适应度fm←f(p)；

(b)产生一个[0,k-1]的随机整数采样对(u,v)，通过交换输入个体p中的属性向量获得新的个体p′；

(c)循环执行n次步骤(a)和步骤(b)，若f(p′)＜fm，则y←p′，并跳出循环。最终输出个体y；

如图4所示，本发明实施例提供的重排序变异算子具体包括以下步骤：

(a)初始化输出个体y←p，产生一个[0,1)的随机数δ，若δ＜pm则执行步骤(b)，否则直接输出y；

(b)产生一个的随机整数ω，循环执行ω+1次步骤(c)；

(c)产生一个[0,k-1]的随机整数采样对(u,v)，交换个体y中的属性向量

(d)输出个体y。

下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。

以60ghz毫米波无线通信技术为例，图5和图6分别从平均路径长度(averagepathlength，apl)和平均减少的交换机使用数量来说明本发明对现有fat-tree混合数据中心网络的能效的改善情况。测试的背景是具有k个pod层的fat-tree混合数据中心网络，其机架以网格拓扑摆放，行和列的数量分别为k/2和k，及机架间的行间隔为4.5m，列间隔为3.6m。采用基于60ghz毫米波技术的flyway架构作为可重构fat-tree混合数据中心网络的无线设计参考，60ghz无线的传输距离设置为10m，根据机架之间的距离及无线传输受到的阻挡可得无线链路只能建立在相邻的tor之间或相邻两行在60ghz无线传输范围内的tor之间，因此可构建tor无线拓扑图g＝(v,e)，并根据拓扑图g构造tor邻接矩阵a。利用邻接矩阵a和网络参数k，采用l＝1000，m＝100的贪心随机适应算法获得优化部署方案矩阵，其贪心随机进化策略的最大迭代次数设置为n＝20，及重排序变异概率设置为pm＝0.2。数值分析结果显示在平均路径长度和平均减少的交换机使用量方面，贪心随机适应算法(gra)较常用的pod按排分簇(rc)和按列分簇(cc)都具有更优的节能效果。具体来说，在不同fat-tree网络规模下，gra较rc和cc都具有更低的平均路径长度。与此同时，随着fat-tree网络规模增大，gra的无线平均减少的交换机使用量收敛于2.0左右，而rc和cc部署方法迅速下降到1.0以下。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。