低功耗桌面数据中心及其构建方法

低功耗桌面数据中心及其构建方法
【专利摘要】本发明提供的低功耗桌面数据中心采用拥有高性能ARM处理器和多个网络接口的迷你计算机作为服务器，在降低成本的同时，降低了能耗，并且完全可以满足家庭、小型企业和研究机构的使用需要；采用随机正则图拓扑结构，在保证低时延、高可靠性的同时，简化了数据中心的结构，且便于对数据中心进行渐进扩展；由于使用迷你计算机作为服务器，体积小、重量轻，同时随机正则图的拓扑结构，无需设置交换机，整个数据中心结构简单，便于移动和重组；与现有基于X86架构及FatTree拓扑的数据中心相比，具有显著地优势。
【专利说明】低功耗桌面数据中心及其构建方法

【技术领域】
[0001] 本发明设及数据中屯、，特别是指一种低功耗桌面数据中屯、及其构建方法。

【背景技术】
[0002] 数据中屯、（data center)指用于集中安置计算机系统W及相关部件（服务器，交 换机等）的设施，并包含备用电源、电流传输设备、环境控制（如空调、灭火器等）和安全设 备。近年来，日益增长的应用需求促使了拥有十万到百万级服务器的数据中屯、的产生，该使 得存储网络逐步发展成为数据中屯、网络值ata Center Network，DCN)。数据中屯、网络开始 逐渐成为国外学术界和工业界研究的热点。科学家们已经意识到，科学技术的进一步发展 不是缺少数据，而是缺少存储数据和分析数据的有效方法。目前一些国际知名网络服务企 业如美国谷歌、微软、亚马逊、中国腾迅、百度、阿里己己等公司都陆续建立了大型数据中屯、 用于存储大规模数据，并利用分布式存储和处理的强大功能，将数据及时高效的传输到全 球各个用户。例如；2013年微软公司的数据中屯、中拥有超过100万台服务器；而谷歌公司 在其分布于全球的36个数据中屯、中拥有更多的服务器。该些数据中屯、中的服务器和网络 设备通过特定的互联结构实现互联互通。
[0003] 与此同时，许多应用服务，如谷歌捜索等对服务器间数据交换带宽的要求越来越 高。而数据中屯、的现有互联结构是依靠交换机、核屯、交换机、核屯、路由器将服务器连接起来 构成的树型结构。树型结构的高层核屯、交换机、核屯、路由器往往构成数据中屯、的流量瓶颈， 而且其容错性也不理想，容易出现单点故障。随着数据中屯、规模的急剧扩大，该种树型互联 结构越来越难W确保数据中屯、所追求的渐进可扩展、高容错能力、高聚集带宽等系统指标。
[0004] 此外，由于采用X86架构的商用服务器和交换机的大型数据中屯、存在功耗大、维 护困难、构建成本高等众多问题，导致学校、家庭和小型研究机构难W拥有。因此，需要一种 性价比高、渐进可扩展、容错能力高的数据中屯、。


【发明内容】

[0005] 有鉴于此，本发明的目的在于提出一种能够解决上述问题的低功耗桌面数据中 屯、，在具有较高性价比、较低能耗的同时，又具备良好的可扩展性和较高的容错能力等技术 指标。
[0006] 基于上述目的本发明提供一种低功耗桌面数据中屯、，包括设置于机柜中的多台服 务器；任意机柜中每台所述服务器与该机柜中其它服务器互联的网络接口数目相同，同一 机柜中的所述服务器构成随机正则图；建立该数据中屯、的路由表并将其保存至每个所述机 柜和所述服务器。
[0007] 可选的，机柜具有至少两层，每一层设置有相同数目的所述服务器；位于任意层的 每台所述服务器与位于该层的其他服务器互联的网络接口数目相同；任意两层所述服务器 预留的空置网络接口总数相同。
[000引可选的，同一数据中屯、设置有多个所述机柜，每台所述机柜与位于同一数据中屯、 的其他机柜互联的网络接口数目相同，任意两机柜中的所述服务器预留的空置网络接口总 数相同。
[0009] 可选的，任意所述服务器预留空置的网络接口；若需要增加同一数据中屯、中的机 柜数目，当任意两个机柜之间互联的网络接口数为奇数时，每次需新增偶数个机柜，当任意 两个机柜之间互联的网络接口数为偶数时，每次可新增任意数量的机柜；将新增的机柜与 原有机柜互联，同时仍然使同一数据中屯、中每个所述机柜与其它机柜互联的网络接口数目 相同。
[0010] 可选的，任意所述服务器预留空置的网络接口；若需要增加任意机柜中的服务器 数目，当该机柜中的任意服务器与其他服务器互联的网络接口数为奇数时，每次需新增偶 数台服务器，当该机柜中的任意服务器与其他服务器互联的网络接口数为偶数时，每次可 新增任意数量的服务器；将新增的服务器与原有服务器互联，同时仍然使同一机柜中每台 所述服务器与其它服务器互联的网络接口数目相同。
[ocm] 可选的，所述服务器为使用ARM处理器作为中央处理器且具有多个网络接口的迷 你计算机，所述服务器之间使用W太网线和/或光纤进行通信。
[0012] 本发明提供了一种低功耗桌面数据中屯、的构建方法，数据中屯、包括机柜及设置于 机柜中的服务器，所述服务器为使用ARM处理器作为中央处理器且具有多个网络接口的迷 你计算机，其构建方法包括W下步骤：
[0013] 确定数据中屯、中预设的服务器数目、机柜数据、机柜层数、每台服务器与其他任意 服务器互联的网络接口数目等基本配置数据；
[0014] 配置机柜和服务器，并使每台服务器与同一机柜中其它服务器互联的网络接口数 目相同、每个机柜与同一数据中屯、中其他机柜互联的网络接口数目相同；
[0015] 建立该数据中屯、的路由表；
[0016] 将所述路由表同步到所述机柜与服务器。
[0017] 可选的，增加服务器数量的方法包括W下步骤：
[0018] 确定新服务器所在机柜的原服务器数量；
[0019] 若所述原服务器数量为奇数，则新服务器数量为偶数；若所述原服务器数量为偶 数，则新服务器数量任意；将新服务器设置于机柜中；
[0020] 改变原服务器的接线方式，使得增加新服务器后，每台服务器与同一机柜中其他 服务器互联的网络接口数目仍相同；
[0021] 更新该数据中屯、的路由表；
[0022] 将所述路由表同步到所述机柜与服务器。
[0023] 可选的，建立数据中屯、路由表的步骤包括：
[0024] 为每个机柜赋予唯一坐标标识（Rx，Ry)，其中Rx表示所述机柜所在的行序，Ry表 示所述机柜所在的列序；
[0025] 为每个服务器赋予唯一坐标标识（Rx，Ry，S，Sid)，其中巧X，Ry)为服务器所在机 柜的坐标，S为服务器位于该机柜的层序，Sid为每层中服务器的编号。
[0026] 从上面所述可W看出，本发明提供的数据中屯、采用拥有高性能ARM处理器和多个 网络接口的迷你计算机作为服务器，在降低成本的同时，降低了能耗，并且完全可W满足家 庭、小型企业和研究机构的使用需要；采用随机正则图拓扑结构，在保证低时延、高可靠性 的同时，简化了数据中屯、的结构，且便于对数据中屯、进行渐进扩展；由于使用迷你计算机作 为服务器，体积小、重量轻，同时随机正则图的拓扑结构，无需设置交换机，整个数据中屯、结 构简单，便于移动和重组；与现有基于X86架构及化tTree拓扑的数据中屯、相比，具有显著 地优势。

【专利附图】

【附图说明】
[0027] 图1为本发明低功耗桌面数据中屯、的实施例的机柜坐标示意图；
[002引图2为本发明低功耗桌面数据中屯、的实施例的同一机柜中8台服务器的接线方法 不意图；
[0029] 图3为本发明低功耗桌面数据中屯、的实施例的同一机柜中9台服务器的接线方法 不意图；
[0030] 图4为本发明低功耗桌面数据中屯、的实施例的同一机柜中10台服务器的接线方 法示意图；
[0031] 图5为本发明低功耗桌面数据中屯、的实施例的同一机柜中12台服务器的接线方 法示意图；
[0032] 图6为本发明低功耗桌面数据中屯、的实施例的同一机柜中13台服务器的接线方 法示意图。

【具体实施方式】
[0033] 本发明提供了一种具有高效互联结构的数据中屯、，其采用拥有高性能的ARM处理 器和多个网络接口的迷你计算机(Mini PC)作为服务器进行数据中屯、的构建且不需要交换 机的参与，解决了数据中屯、的功耗大、规模大W及维护困难等问题。利用W太网服务器和光 纤进行同一个机柜内部服务器之间W及不同机柜之间的数据传输。采用随机正则图的互联 结构使得数据中屯、的服务器之间具有低的平均路径长度，高的吞吐率和高的抵御故障的能 力等突出优点。在设计数据中屯、持续可扩展的高速互联结构中，逐一提出持续可扩展的网 络拓扑结构的构造方法和高效易行的渐进扩展的方法。
[0034] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，W下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。
[0035] 在进行数据中屯、服务器的配置前，首先获取服务器数目、机柜数目等数据，并确定 机柜中摆放服务器的层数W及每台服务器与其他服务器进行互联的网络接口数。计算时需 对空间留有余裕，W便于在后续对数据中屯、进行扩展时增加服务器及机柜。
[0036] 图1为本发明低功耗桌面数据中屯、的实施例的机柜坐标示意图。如图所示，在本 发明的可选实施例中，在一个数据中屯、（及数据中屯、）设置有9个机柜，机柜排布为3行3 列，并且每个机柜具有唯一的坐标标识（Rx，Ry);其中Rx表示机柜所在的行序，Ry表示机 柜所在的列序。例如，图1中左上角第一台机柜位于所有机柜中的第1行第1列，因此其行 序为1，列序为1，其坐标标识为（1，1);又如位于第2行第3列的服务器，其行序为2,列序 为3,因此其坐标标识为（2, 3);其余机柜坐标标识同理。该坐标标识方法不限于3*3的机 柜，还可W对按照其他方式排布、总数任意的机柜进行标识。
[0037] 每个机柜中分为数层，每层可设置数台服务器，并为每个服务器赋予唯一坐标标 识（Rx，Ry，S，Sid)，其中（Rx，Ry)为该服务器所在机柜的坐标标识，S为该服务器位于该机 柜的层序（通常W由下到上顺序记，相应在配置服务器时优先使用靠近机柜下部的空位）， Sid为每层服务器的编号；例如，某服务器所在机柜的标识为（1，1)，该服务器位于该机柜 由下到上记第2层，且是该层第3台服务器，则其坐标标识为（1，1，2, 3)。对服务器进行标 识是为了便于对整个数据中屯、的管理。
[003引本发明提供的数据中屯、采用传统数据中屯、里的路由方式进行路由即可。在对数据 中屯、进行扩展时，新增的服务器及机柜如上所述被赋予新的标识，并将更新后的该数据中 屯、的路由表再次同步到数据中屯、的全部服务器和机柜。
[0039] 在本发明的一些可选实施例中，坐标标识还可W包括其他内容，例如：在同一数据 中屯、内的服务器之间进行数据传输时，由于本发明所采用的网络拓扑形式并非通常的树形 结构，而是随机正则图结构，由于随机正则图任意两个节点之间具有多条路径，因此可增加 采用K条最短路的路由算法来加速节点之间流量传输的速度。另外，需要使用图论中基于 权重的最短路径算法；通常W传播时延作为任意两台相邻服务器之间线路的权重，传播时 延越低，则权重越高，反之亦然，而该权重可W在机房中的服务器配置完成后，整合在每台 服务器所对应的坐标标识中，该样一来在源服务器向目标服务器发送数据时可W方便地计 算出最优路径，W提高传输效率。
[0040] 完成对数据中屯、中所有服务器的路由表配置后，使用W太网线或光纤对服务器进 行互联；互联遵循W下方法；在服务器进行互联时，保证每台服务器与其他服务器互联的 网络接口数目相同；即若将服务器视为顶点，服务器之间的W太网线或光纤作为边，则整个 数据中屯、的服务器构成一个随机正则图。
[0041] 在进行连线时，应优先考虑同一机柜中服务器的互联；首先将机柜的每一层机架 的服务器分别进行随机互联构成随机正则图，同时预留不同层机架之间的互联端口数相 同；然后对每个机柜的不同机架之间进行互联构成随机正则图，同时预留不同机柜之间的 互联端口数相同；最后对不同的机柜之间也进行随机互联，最后构成随机正则图。
[0042] 在对数据中屯、进行渐进扩展时，需要根据每台服务器与其他服务器进行互联的网 络接口数目确定新增服务器的数量。为了保证任意服务器与其他服务器互联的网络接口的 数量不发生变化，当数据中屯、里每台服务器与其他服务器互联的网络接口数为奇数时，每 次扩展需要同时新增偶数台服务器，并将新增服务器摆在新增的机架上，同时与其他服务 器进行随机互联；当数据中屯、里每台服务器与其他服务器互联的网络接口数为偶数时，每 次扩展可新增任意数量的服务器，并将新增服务器摆在新增的机架上，同时与其他服务器 进行随机互联，并保证互联的网络接口数与其他服务器相同。
[0043] 一旦任意机柜上的服务器全部部署，该机柜就永久地摆放在数据中屯、的固定位置 不再移动。
[0044] 由于本发明所提到的数据中屯、采用的服务器为拥有高性能的ARM处理器和多个 网络接口的迷你计算机，其体积和重量远小于基于X86架构的服务器，并且本发明中采用 的随机正则图拓扑结构决定了在数据中屯、无需配置交换机，整个数据中屯、的结构较为简 单，便于移动和快速搭建。在需要将数据中屯、进行移动时，只要保证重组时仍然保持随机正 则图的拓扑结构，并且保证互联的网络接口数量不变，即可重现原数据中屯、。
[0045] 下面通过一些实施例对上述服务器互联结构W及渐进扩展方法进行说明。
[0046] 图2为本发明低功耗桌面数据中屯、的实施例的同一机柜中8台服务器的接线方法 示意图。参考图2,在本实施例中，当同一机柜设置有8台服务器时，分为=层机架，其中下 层机架、中层机架均设置=台服务器，上层机架设置两台服务器，W图2为观察视角，由左 至右、由上至下依次为服务器1〇、11、13-15、16-18;每台服务器与其他服务器互联的网络 接口数为3。给出一种互联方法，详见表1;
[0047]

【权利要求】
1. 一种低功耗桌面数据中心，其特征在于，包括设置于机柜中的多台服务器；任意机 柜中每台所述服务器与该机柜中其它服务器互联的网络接口数目相同，同一机柜中的所述 服务器构成随机正则图；建立该数据中心的路由表并将其保存至每个所述机柜和所述服务 器。
2. 根据权利要求1所述的低功耗桌面数据中心，其特征在于，机柜具有至少两层，每一 层设置有相同数目的所述服务器；位于任意层的每台所述服务器与位于该层的其他服务器 互联的网络接口数目相同；任意两层所述服务器预留的空置网络接口总数相同。
3. 根据权利要求1所述的低功耗桌面数据中心，其特征在于，数据中心设置有多个所 述机柜，每台所述机柜与位于同一数据中心的其他机柜互联的网络接口数目相同，任意两 机柜中的所述服务器预留的空置网络接口总数相同。
4. 根据权利要求3所述的低功耗桌面数据中心，其特征在于，任意所述服务器预留空 置的网络接口；若需要增加数据中心的机柜数目，当任意两个机柜之间互联的网络接口数 为奇数时，每次需新增偶数个机柜，当任意两个机柜之间互联的网络接口数为偶数时，每次 可新增任意数量的机柜；将新增的机柜与原有机柜互联，同时仍然使同一数据中心的每个 所述机柜与其它机柜互联的网络接口数目相同。
5. 根据权利要求1所述的低功耗桌面数据中心，其特征在于，任意所述服务器预留空 置的网络接口；若需要增加任意机柜中的服务器数目，当该机柜中的任意服务器与其他服 务器互联的网络接口数为奇数时，每次需新增偶数台服务器，当该机柜中的任意服务器与 其他服务器互联的网络接口数为偶数时，每次可新增任意数量的服务器；将新增的服务器 与原有服务器互联，同时仍然使同一机柜中每台所述服务器与其它服务器互联的网络接口 数目相同。
6. 根据权利要求1所述的低功耗桌面数据中心，其特征在于，所述服务器为使用ARM处 理器作为中央处理器且具有多个网络接口的迷你计算机，所述服务器之间使用以太网线和 /或光纤进行通信。
7. -种低功耗桌面数据中心的构建方法，其特征在于，数据中心包括机柜及设置于机 柜中的服务器，其构建方法包括以下步骤： 确定数据中心中预设的服务器数目、机柜数据、机柜层数、每台服务器与其他任意服务 器互联的网络接口数目等基本配置数据； 配置机柜和服务器，并使每台服务器与同一机柜中其它服务器互联的网络接口数目相 同、每个机柜与同一数据中心中其他机柜互联的网络接口数目相同； 建立该数据中心的路由表； 将所述路由表同步到所述机柜与服务器。
8. 根据权利要求7所述的低功耗桌面数据中心的构建方法，其特征在于，若需要增加 服务器数量，还包括以下步骤： 确定新服务器所在机柜的原服务器数量； 若所述原服务器数量为奇数，则新服务器数量为偶数；若所述原服务器数量为偶数，则 新服务器数量任意；将新服务器设置于机柜中； 改变原服务器的接线方式，使得增加新服务器后，每台服务器与同一机柜中其他服务 器互联的网络接口数目仍相同； 更新该数据中心的路由表； 将所述路由表同步到所述机柜与服务器。
9.根据权利要求7所述的低功耗桌面数据中心的构建方法，其特征在于，建立数据中 心路由表的步骤包括： 为每个机柜赋予唯一坐标标识（Rx，Ry)，其中Rx表示所述机柜所在的行序，Ry表示所 述机柜所在的列序； 为每个服务器赋予唯一坐标标识（Rx，Ry，S，Sid)，其中（Rx，Ry)为服务器所在机柜的 坐标，S为服务器位于该机柜的层序，Sid为每层中服务器的编号。
【文档编号】G06F1/32GK104503539SQ201410809590
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月23日 优先权日:2014年12月23日
【发明者】郭得科, 谢俊杰, 罗来龙, 胡智尧, 史良 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学