基于负载因子及最优化模型的混合数据中心架设方法与流程

本发明涉及数据中心、计算机网络等技术领域，具体地，涉及一种基于负载因子及最优化模型的混合数据中心架设方法。

背景技术：

随着数据中心网络的飞速发展，目前的网络流量规模已经出现了质的改变，数据中心在搜索引擎、影音媒体等方面发挥着重要的作用。然而，传统的数据中心树形结构虽然在结构上呈现出多样化的趋势，由于下行流量的不可预料性、难以避免性，仍然存在了交换机“热点”问题，随着网络流量的不断增加，这种“热点”问题愈发突出。目前的研究表明，60GHz的无线能够应用在数据中心中作为缓解“热点”的途径，而由于无线设备的传输能力有限性，如何使得无线的加入能够使整体系统获益更多变得尤为重要。

经过对现有技术文献的检索发现，最近的研究表明，60GHz的无线技术可以被加入到数据中心中，以改善目前所存在的拥堵问题及通过改变过载率而出现的能量损耗问题。“Augmenting data center networks with multi-gigabit wireless links”，“Mirror Mirror on the Ceiling：Flexible Wireless Links for Data Centers”等技术的出现引发了数据中心网络的进一步革新。然而，60GHz技术的两个特点阻碍了它的应用：第一，如此高频率的无线链路的传输范围是有限的，这使得它很难保证通信双方间只有一跳交换机；第二，60GHz的波长范围在几毫米的数量级，根据衍射理论，导致该信号在60GHz的强度显著衰减的结果，从而多跳路由是不稳定且耗费时间的。因此如何正确建立无线链路已经在近几年的热点话题。

“Flyways To De-Congest Data Center Networks”中提出了方案以检测热点，并充分利用设备旋转天线，以暂时增加或改变无线链路，从而使热点通过这种方式得到缓解。“A theoretical framework for mitigating delay in 3D wireless data center networks”中采取三维波束成形的优势，通过利用天花板反射的优势减轻了ToR之间的干扰，从而实现了无线的更大容量。

然而，大部分现有的数据中心结构仍存在着不同的问题：无线设备排布复杂，无线的多跳提高了路由的难度，针对于数据中心很难做出系统的调整。较少的涉及无线设备摆放优化问题，无线摆放对于整体系统的优化程度没有具体的表示。混合数据中心的应用仍存在着巨大的局限性。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于负载因子及最优化模型的混合数据中心架设方法，通过使用采用混合数据中心模型中无线对于整体系统的获益，提出负载因子的概念；进而通过使得负载因子满足两项基本原则来构造整体的最优化增益模型；传统的数据中心可以通过求解得到的最优化增益模型来构架最优的混合数据中心结构；为了为流量路由算法奠定基础，本发明针对于混合数据中心的有效性传输进行了系统的定义，形成了无线跳数不超过一跳的基本原则。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种基于负载因子及最优化模型的混合数据中心架设方法，包括如下步骤：

步骤A：分析并提出混合数据中心中无线设备架设使系统获益的基本原理及基本原则GainRule；

步骤B：根据基本原则GainRule设计确定表现系统获益程度的负载因子α；

步骤C：根据使系统获益的基本原则GainRule初始化无线拓扑结构；

步骤D：根据负载因子α建立混合数据中心中的任意单个边缘交换机在无线拓扑结构下的获益模型；

步骤E：针对于混合数据中心中的每一个边缘交换机的负载因子α进行最优化数学模型建模与求解，设计得到混合数据中心结构特征；

步骤F：根据步骤E中设计得到的混合数据中心结构特征进行有效性定义，避免在流量路由过程中发生成环现象。

所述步骤A、步骤B为整体系统架构的基本原则及概念，为整体步骤提供了理论上的基础。

优选地，所述步骤A包括如下内容：

步骤A.a：提出混合数据中心中无线设备架设使系统获益的基本原理，混合数据中心中无线设备架设对于整体系统的增益体现在无线设备能够促进不同pod(pod指在Fat-Tree网络结构中定义的基本组成模块)间的直接流量交换而减少影响传统数据中心带宽的主要因素：下行流量拥堵；

步骤A.b：提出混合数据中心中无线设备架设使系统获益的基本原则GainRule，包括如下内容：

步骤A.b.a：提出混合数据中心中无线设备架设使系统获益的基本原则一，任何边缘交换机(可以采用ToR，即架顶式交换机)和它的无线邻居都被摆放在不同的pod内；

步骤A.b.b：提出混合数据中心中无线设备架设使系统获益的基本原则二，发送交换机端作为负载的边缘交换机(可以采用ToR)与接收交换机端作为负载的边缘交换机(可以采用ToR，即架顶式交换机)位于不同的pod内。

优选地，所述步骤B包括如下步骤：

步骤B.1：设定负载因子α＝ns×nd-n去衡量无线架构对于整体系统负载性能的体现；其中α代表着在负载因子，即负载路径的数目，表明了无线邻居在当前无线设备架设结构下的获益程度，ns表示发送交换机端处于不同pod的邻居交换机项目，nd表示接收交换机端处于不同pod的邻居交换机项目，n表示发送交换机端与接收交换机端重叠的边缘交换机数目。

优选地，所述步骤C包括如下步骤：

步骤C.1：根据当前的无线设备架设结构，在边缘交换机上安装定向天线，用于建立混合数据中心结构；由于针对于k-pod的混合数据中心结构，边缘交换机数目为k²/2，为了提高利用率，在无线摆放的a×b区域中选取

a＝k

b＝k/2

其中，k表示pod数目，a表示矩形区域长边上边缘交换机数目，b表示矩形区域短边上边缘交换机数目；

步骤C.2：为了将数目为k²/2的边缘交换机摆放在a×b的区域中，根据步骤A中所设立的基本原则进行了摆放的初始化，形成初始结构，在初始结构的无线摆放中，有：

1)针对于m行0列区域，分配pod编号为(3m)％k的边缘交换机；

2)针对于m行n列区域，分配pod编号为((3m)％k+n)％k的边缘交换机，其中0＜k＜n-1；

步骤C.3：根据步骤C.2，得到，针对于位置(m，n)的边缘交换机，其无线邻居分别为：

(m-1，n)：((3m)％k+n)％k-3；

(m+1，n)：((3m)％k+n)％k+3；

(m，n-1)：((3m)％k+n)％k-1；

(m，n+1)：((3m)％k+n)％k+1；

从而满足了步骤A中提出的基本原则一，为了整体系统能够满足基本原则二，本发明需要对整体系统进行进一步的优化。

优选地，所述步骤D包括如下步骤：

步骤D.1：求解任意边缘交换机的无线邻居边缘交换机所处的不同pod数目，为此提出了表示边缘交换机周围pod数目的变量Δx，y，根据其定义，有：

其中，d(a，b)在位置(a，b)与(x，y)位于相同pod时其值为0，否则为1；a取值为x、x-1或x+1，b取值为y、y-1或y+1；x表示矩形摆放区域内边缘交换机的横坐标，y表示矩形摆放区域内边缘交换机的纵坐标；符号表示恒等于；

步骤D.2：求解任意边缘交换机的无线邻居中的超载(重叠)部分的边缘交换机pod指数，为此提出了重叠部分的pod计算方案，提出了定义来表示位置为(xd，yd)与位置为(xs，ys)无线邻居间的重叠指数，从而得到：

其中

对于sa，b，c，d，有

当Pa，b＝Pc，d时，sa，b，c，d＝1；

当Pa，b≠Pc，d时，sa，b，c，d＝0；

其中：

表示矩形空间中位置为(a，b)的边缘交换机与相邻的四个边缘交换机的重叠指数，α取值为xs、xs-1或xs+1，b取值为ys、ys-1或ys+1；

sa，b，c，d表示矩形空间中位置为(a，b)的边缘交换机与位置为(c，d)的边缘交换机是否在同一个pod内，若位于同一pod内，则值为1，否则为0，c取值为xd、xd-1或xd+1，d取值为yd、yd-1或yd+1；

Pa，b表示矩形空间中位置(a，b)处的边缘交换机的pod编号，Pc，d表示矩形空间中位置(c，d)处的边缘交换机的pod编号；

步骤D.3：根据步骤A中提出的两项基本原则以及步骤B中提出的负载因子α建立边缘交换机的获益模型，得到α＝ns×nd-n，其中ns和nd分别为发送交换机端和接收交换机端处于不同pod的邻居交换机项目，n为发送交换机端与接收交换机端重叠的边缘交换机数目；

在步骤D.3中，总负载路径数目为ns×nd，然而由于基本原则二，不同的负载对不应在相同的pod，因此α即为发送交换机端与接收交换机端间确切的有效路径，用于表现系统整体的获益程度；通过计算所有边缘交换机的获益模型负载因子α的和，建立最优化获益模型。

优选地，所述步骤E包括如下步骤：

步骤E.1：建立数学模型中的限制条件，包括：

条件1：pod编号的限制区间为

0≤pi，j≤k-1

其中，pi，j表示对于位置(i，j)的pod编号，i表示矩形空间中边缘交换机的横坐标，j表示矩形空间中边缘交换机的纵坐标，k表示pod总数；

条件2：针对于各个pod的边缘交换机的总数恒定，假定

从而提出了满足条件2的数学模型

其中，lx，y，C表示当前位置(x，y)处的边缘交换机是否属于编号为C的pod，x表示矩形空间中边缘交换机的横坐标，y表示矩形空间中边缘交换机的纵坐标，C表示pod编号，px，y表示位于位置(x，y)的边缘交换机。

步骤E.2：根据负载因子α以及限制条件形成如下式所示的最优化数学模型：

限制条件为：

0≤pi，j≤k-1

其中：αi表示第i个边缘交换机的负载因子α。

优选地，所述步骤F包括如下步骤：

步骤F.a：根据步骤E中的最优化数学模型分析了传统数据中心结构中满足路由不成环的有效路径，整合出如下表所示的传统数据中心有效性模型：

表一 传统数据中心有效性定义模型

在传统数据中心有效性定义模型中，对比表格中的有效条件与传统数据中心中的所有有效传输，能够得出表格中的有效传输包括了实际树形数据中心的所有传输方式而排出了所有不符合条件的传输方式；

步骤F.b：根据步骤E中的最优化数学模型分析混合数据中心结构中满足路由不成环的有效路径，针对于无线路由进行了系统的分析，提出了如下表所示的混合数据中心有效性模型：

表二 混合数据中心有效性定义模型

通过定义表二的混合数据中心有效性定义模型，规范了混合数据中心的有线、无线传输，使得流量传输最多经过无线传输中的一跳，避免建立混合数据中心后网络流量成环状况的出现。

在表一和表二中，Edge表示边缘交换机，Aggr表示聚集交换机，Core表示核心交换机，i，j表示交换机编号，符号→表示流量从箭头左侧流向右侧，src表示源交换机，des表示目的交换机，des′s表示目的交换机的相关属性，wireless neighbor表示无线邻居。

本发明提供的基于负载因子及最优化模型的混合数据中心架设方法，采用负载因子，通过设定的两项基本原则确定了无线设备对于传统数据中心的增益程度，表现了无线设备加入对于原传统系统的增益影响；采用的算法能够根据相应的最优化模型求解的结果来判断不同的无线架设方案对于整体系统的增益程度，从而形成了混合数据中心的最优假设方法。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明使用的负载因子符合无线对于传统数据中心结构优化的两项基本原则，能够表现出当前的无线架构所带来的增益程度。为了提高整体的获益，本发明综合考虑了所有无线设备的综合负载因子，从而对于整体系统的性能提升进行了相应的评估。本发明能够表现无线对于整体系统的优化程度。

本发明建立的最优化模型表彰了整体系统的优化程度，可以通过线性最优化的求解来获得最优混合数据中心结构，从而确定最优无线设备架设方案。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的步骤流程图。

图2为本发明的初始拓扑结构图。

图3为本发明的无线天线布置图；

图中：1为架顶式交换机的机架，2为无线定向天线，3为指定的架顶式交换机，无线定向天线被布置在架顶式交换机上，每个架顶式交换机机架上布置四个无线定向天线，每个定向天线可与与之相对的定向天线进行无线数据交换，指定的架顶式交换机3可与周围的四个无线邻居A、B、C、D(D在图中未显示)进行无线数据交换。

图4为本发明的仿真结果对比图；其中，(a)为传统数据中心的热点分布情况，(b)为优化后数据中心的热点分布情况。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

请同时参阅图1和图2。

本实施例提供了一种基于负载因子及最优化模型的混合数据中心架设方法。

下面结合附图对本实施例做进一步描述。

如图1所示，本实施例是通过以下技术方案实现的，本实施例包括如下步骤：

步骤A：分析并提出混合数据中心中无线设备架设使系统获益的基本原理及基本原则GainRule；

步骤B：根据基本原则设计表现系统获益程度的负载因子α；

步骤C：根据系统获益的基本原则GainRule初始化无线拓扑结构；

步骤D：根据负载因子α建立单个边缘交换机在无线拓扑下的获益模型；

步骤E：针对于数据中心中的边缘交换机的负载因子进行最优化建模与求解；

步骤F：根据步骤E中设计的混合数据中心结构特征进行有效性定义，避免在流量路由过程中发生成环现象。

其中：

步骤A：对于传统数据中心与混合数据中心的结构，本实施例提出了无线优化的基本原理，混合数据中心中无线对于整体系统的增益体现在无线设备可以促进不同Pod间的直接流量交换而减少影响传统数据中心带宽的主要因素：下行流量拥堵；

根据“Hedera：Dynamic Flow Scheduling for Data Center Networks”的调研，传统数据中心的流量冲突主要发生在下行流量上，通过无线设备，可以实现不同pod间的流量交换，减少了下行流量的路由压力，从而减轻了拥堵的程度。

为此，本实施例提出了无线优化的两项基本原则，为整体系统的优化奠定理论基础：

无线优化的基本原则一，任何ToR和它的无线邻居都应当被摆放在不同的Pod内；

无线优化的基本原则二，发送端作为负载的ToR应与接收端作为负载的ToR位于不同的Pod内。

步骤B：本实施例设定了负载因子α＝ns·nd-n用于衡量无线架构对于整体系统负载性能的体现。其中α代表着在此种情况下有效负载路径的数目，表明了无线邻居在当前结构下的获益程度，符号“·”表示乘号“×”。

步骤C：根据当前的无线数据中心结构，在边缘交换机上安装定向天线，用于建立混合数据中心结构。由于针对于k-pod的数据中心结构，边缘交换机数目为k²/2。为了提高利用率，本实施例在无线摆放的a×b区域中选取

a＝k

b＝k/2

为了将数目为k²/2的边缘交换机摆放在a×b的区域中，本实施例根据步骤A中所设立的两项基本原则进行了摆放的初始化。为此，本实施例形成了如图2所示的初始结构，在初始无线摆放中，本实施例有：

1)针对于m行0列，本实施例分配了pod编号为(3m)％k的边缘交换机

2)针对于m行n列，本实施例分配了pod编号为((3m)％k+n)％k的边缘交换机，

其中0＜k＜n-1

根据步骤上述步骤，本实施例得到，针对于位置(m，n)的边缘交换机，其邻居分别为

(m-1，n)：((3m)％k+n)％k-3；

(m+1，n)：((3m)％k+n)％k+3；

(m，n-1)：((3m)％k+n)％k-1；

(m，n+1)：((3m)％k+n)％k+1；

从而满足了步骤A中提出的原则1，至此，本实施例已经完成了步骤一的全部过程，为了整体系统能够满足原则二，本实施例需要对整体系统进行进一步的优化。

步骤D：通过求解步骤B中的负载因子来获取系统的优化程度。为此，步骤2中将首先求解任意交换机的无线邻居边缘交换机所处的不同pod数目，为此提出了表示边缘交换机周围pod数目的变量Δx，y，根据其定义本实施例有：

其中，d(a，b)在位置(a，b)与(x，y)位于相同pod时其值为0，否则为1。

除此之外，为了得到步骤B中负载因子α的值，本实施例提出了求解任意交换机的无线邻居中的超载(重叠)部分的边缘交换机pod指数的方案，在计算过程中，本实施例还提出了新的定义来表示重叠指数，从而得到：

其中

对于sa，b，c，d，本实施例有

当Pa，b＝Pc，d时sa，b，c，d＝1；

当Pa，b≠Pc，d时sa，b，c，d＝0；

根据步骤A中提出的两项基本原则以及步骤B中提出的负载因子建立边缘交换机的获益模型，得到α＝ns·nd-n，其中ns和nd分别为发送和接收交换机端处于不同pod的邻居交换机项目，n为发送端与接收端重叠的交换机数目。

在上述步骤中，总负载路径数目为ns·nd，然而由于基本原则二，不同的负载对不应在相同的pod，因此α即为发送端与接收端间确切的有效路径，可以用于表现系统整体的获益程度。通过计算所有边缘交换机的获益模型α的和，本实施例将因此建立起最优化模型。

步骤E：建立负载因子的最优化模型，针对于最优化模型进行求解，从而得到满足条件的混合数据中心结构。

为了建立最优化数学模型，本实施例针对于最优化模型中的限制条件进行了分析，包括：

条件1：pod编号的限制区间为

0≤pi，j≤k-1

条件2：针对于各个pod的边缘交换机的总数恒定，假定

从而提出了满足条件2的数学模型

根据步骤D以及步骤E之前的内容形成的负载因子以及限制条件形成了如下式所示的最优化模型：

限制条件为：

0≤pi，j≤k-1

步骤F：设计混合数据中心结构中的路由算法有效性条件，通过先设定传统数据中心有效性进而设定混合数据中心有效性来完成本步骤的工作，避免混合数据中心路由过程中的成环现象。

根据步骤E中的模型分析了传统数据中心结构中满足路由不成环的有效路径，整合出如下表一所示的有效性模型：

表一 传统数据中心有效性定义模型

在传统数据中心的有效性模型中，对比表格中的有效条件与传统数据中心中的所有有效传输，能够得出表格中的有效传输包括了实际树形数据中心的所有传输方式而排出了所有不符合条件的传输方式。

根据步骤E中的模型分析了混合数据中心结构中满足路由不成环的有效路径，针对于无线路由进行了系统的分析，提出了如下表二所示的有效性模型：

表二 混合数据中心有效性定义模型

通过定义表二的模型，规范了混合数据中心的有线、无线传输，使得流量传输最多经过无线传输中的一跳，避免建立混合数据中心后网络流量成环状况的出现。

本实施例的仿真环境为：MATLAB 2012a

本实施例包括如下具体步骤：

步骤C：建立传统数据中心边缘交换机的矩阵模型，通过给定的流量条件，进行路由压力程度的仿真，其中，灰度的高低程度代表了整体系统的拥挤程度

步骤D：针对于原始的数据中心结构根据优化原则一进行结构的初步优化，建立起如图2所示的无线架设方案。在建立如图2所示的架设方案过程中，我们应用了如下的规则：

1)针对于m行0列，本实施例分配了pod编号为(3m)％k的边缘交换机

2)针对于m行n列，本实施例分配了pod编号为((3m)％k+n)％k的边缘交换机，其中0＜k＜n-1

根据步骤上述步骤，本实施例得到，针对于位置(m，n)的边缘交换机，其邻居分别为

(m-1，n)：((3m)％k+n)％k-3；

(m+1，n)：((3m)％k+n)％k+3；

(m，n-1)：((3m)％k+n)％k-1；

(m，n+1)：((3m)％k+n)％k+1；

根据上述的规则，我们采用了如下的算法：

步骤E：建立负载因子的最优化模型，针对于最优化模型进行求解，从而得到满足条件的混合数据中心结构。

根据系统负载因子的计算方法：

α＝ns·nd-n

以及相关指标的求解方法：

对于sa，b，c，d

当Pa，b＝Pc，d时sa，b，c，d＝1；

当Pa，b≠Pc，d时sa，b，c，d＝0；

得到的最优化模型如下式所示：

限制条件为：

0≤pi，j≤k-1

步骤F：针对于上述的模型进行相应的matlab仿真，并与传统的数据中心结构进行灰度图比对，得到的结果如图4所示。从而得到本实施例对于整体系统的优化程度，右侧系统为优化后的系统，相对于左侧的尖锐分布，具备明显的优化。

本实施例提供的基于负载因子及最优化模型的混合数据中心架设方法，对无线天线拓扑(混合数据中心中无线设备架设使系统获益的)基本原则的制定，提供提高无线天线(无线设备)利用率的基本原则；设计无线天线拓扑的初始条件，并以此为基础进行优化；提出负载因子的概念，使用负载因子表示数据中心结构在此无线拓扑下的获益程度；针对于负载因子的算式建立最优化模型并求解，使得整体数据中心获得最大增益；建立有效性模型，避免在复杂的混合数据中心结构中发生环形路径。本实施例采用用以表现整体系统获益程度的负载因子及最优化算法，来表示当前数据中心结构在给定的无线拓扑条件下的优化程度，从而确定系统理论框架下设计的最佳的无线天线架设方案。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。