EBSN:一種新型全結構模塊化數(shù)據(jù)中心模型*

韓冬 肖文俊 李梅生

（1.華南理工大學 計算機科學與工程學院，廣東 廣州510006；2.華南理工大學 軟件學院，廣東 廣州510006；3.廣東金融學院 計算機科學系，廣東 廣州510520）

云服務的發(fā)展驅動了數(shù)據(jù)中心的發(fā)展.在數(shù)據(jù)中心，上萬臺服務器通過網(wǎng)絡連接實現(xiàn)搜索、電子郵件、分布式計算等服務.數(shù)據(jù)中心網(wǎng)（DCN）架構的研究目標是如何將眾多的服務器連接起來，以滿足云服務的需求.傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)架構大多采用胖樹模型［1］或其衍生形式［2-4］，將商用交換機以樹狀結構分層部署.在胖樹模型中，為了滿足帶寬的需求，核心層和匯聚層的交換機必須使用高端高速交換機，這使數(shù)據(jù)中心網(wǎng)的構建成本居高不下.此外，為了提供必要的容錯性，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)使用了大量的冗余設備，這樣也增加了建設成本.

為更經(jīng)濟、更快捷地部署數(shù)據(jù)中心，2007年SUN 公司的黑盒項目首次提出了模塊化數(shù)據(jù)中心（MDC）概念［5］.模塊化數(shù)據(jù)中心是指在標準集裝箱中安裝上千臺服務器、一定數(shù)量的交換設備以及必要的電源設備和冷卻設備而構成的數(shù)據(jù)中心.模塊化數(shù)據(jù)中心既可獨立使用，也可作為可插拔模塊進行連接，以構建更大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心.由于MDC 具有部署便捷、靈活性強、易擴展等優(yōu)點，眾多企業(yè)都將其作為設計數(shù)據(jù)中心的解決方案［6］.微軟公司在建設芝加哥數(shù)據(jù)中心時大規(guī)模使用模塊化數(shù)據(jù)中心，在該數(shù)據(jù)中心有近三分之二的服務器部署在標準集裝箱中［7］.

文中提出了一種可應用于模塊化數(shù)據(jù)中心的架構EBSN.該架構基于Biswapped 網(wǎng)絡（BSN）［8-9］，每臺服務器僅需很少的網(wǎng)絡接口，通過少量的普通商用迷你交換機將大量的服務器進行連接，即可滿足吞吐量的要求.EBSN 采用以服務器為中心的架構，將路由選擇策略交由服務器完成，通過源路由協(xié)議完成選路過程，并通過容錯路由保證架構的性能.

1 相關模型

為了優(yōu)化傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)架構，業(yè)界提出了一些新的模型方案，如DCell［10］、FiConn［11］、DPillar［12］、MCube［13］、BCN［14］、雪花結構［15］等，這些都是實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)大規(guī)模服務器互連的網(wǎng)絡架構，其共同點是服務器的網(wǎng)絡接口數(shù)量較少且使用普通商用交換機，從而降低建設成本，并保證網(wǎng)絡帶寬和通信要求.但以上方案不適用于模塊化數(shù)據(jù)中心.模塊化數(shù)據(jù)中心具有如下特點：①封裝入集裝箱的服務器僅為1 000～2 000 臺，而非上萬臺；②服務器和網(wǎng)絡設備一旦封裝好，幾乎不再更換，因此必須保證MDC 中的容錯性和通信容量；③每個集裝箱中所使用的交換機為僅有8 個網(wǎng)絡端口的普通商用迷你交換機，因此需要以服務器為中心架構［16］才能滿足業(yè)務的需要.目前針對MDC 的模型有BCube［17］和SCautz［18］.

1.1 BCube

在BCube［17］中，每臺服務器有幾個網(wǎng)絡接口（NIC，一般不超過4 個），服務器通過NIC 與普通商用交換機連接構成整體架構.BCube 以遞歸方式生成，每個BCubek由n 個BCubek-1和nk個n 口交換機連接形成.實現(xiàn)時，由基礎單元BCube0組成BCube1，進而組成BCube2，直至BCubek.每個BCube0由一個n 口交換機和n 臺服務器組成.在BCubek中，每臺服務器都有k+1 個NIC，并按akak－1...a0（ai∈［0，n－1］，i ∈［0，k］）的形式將其編址；每個交換機按照〈l，sk-1sk-2…s0〉（sj∈［0，n－1］，j∈［0，k－1］）的形式編址，其中l(wèi) 表示交換機所處的層.圖1是一個k=1、n=2 的BCube1結構.

圖1 k=1、n=2 的BCube1 結構Fig.1 BCube1 structure with k=1 and n=2

在BCube 中，兩臺服務器相鄰是指這兩臺服務器連接到同一臺交換機.若相鄰的兩臺服務器所連接的交換機位于第i 層，則兩臺服務器地址中的ai位不同.在BCube 中，采用海明距離來表示兩臺服務器之間的距離，因此對于BCubek，兩臺服務器的最大距離為k+1.通過改變不同的ai位的值就可以實現(xiàn)在BCube 模型中的路由，這種路由方式本質(zhì)上與維數(shù)路由是一樣的.

文獻［17］中通過構造一個非完全結構的BCube3模型封裝了2 048 臺服務器，但該模型所需的8 口迷你交換機達到1 280 臺，且存在交換機端口閑置的情況.

1.2 SCautz

SCautz 模型［18］采用無向Kautz圖作為基圖.對于Kuatz 圖UK（d，k），其定點集V=Zkd，邊集E={（X，Y）|X=x1x2...xk，Y=x2x3...xkv，v∈Zd，v≠xk}，其中，Zd={0，1，…，d}，Zkd={x1x2...xk|xi∈Zd，xi≠xi+1，1≤i＜k}.由定義可知，無向Kautz 圖是d 正則圖，直徑為k，且有dk+dk+1個頂點和dk+dk+1條邊.

SCautz 模型中的設備有兩類：具有多個NIC 的服務器和迷你商用交換機.服務器以無向Kautz 圖UK（d，k）的頂點形式編址為字符串a(chǎn)0a1...ak，其中ai∈Zd∧ai≠ai+1；交換機以相同方式編址為s0s1s2...st，其中si∈Zd∧si≠si+1，t＜k.在SCautz 模型中，交換機分為Sleft和Sright兩類，Sleft連接地址串左邊t 位為s0s1s2...st的服務器，Sright連接地址串右邊t 位為s0s1...st的服務器.此外，服務器之間可按照無向Kautz 圖的邊生成方式連接，即地址為a0a1...ak的服務器A 與地址為{a0a1...aku|u∈Zd，u≠ak}或{va0a1...ak-1|v∈Zd，v≠a0}的服務器直連.圖2是一個無向Kautz 圖UK(2，2).

圖2 無向Kautz 圖UK(2，2)Fig.2 Undirected Kautz graph UK(2，2)

為實現(xiàn)用256 臺低端商用交換機連接2 048 臺服務器并獲得好的性能，SCautz 模型在每臺服務器中使用了5 張雙端口網(wǎng)卡，這大大超出了文獻［17］中所建議的網(wǎng)絡端口數(shù).

1.3 Biswapped 網(wǎng)絡（BSN）模型

BSN［8-9］是以規(guī)模為n 的任意圖Ω 為因子網(wǎng)絡，由2n 個與Ω 同構的因子網(wǎng)絡構成，BSN 又被記為BSN（Ω）.在BSN（Ω）中，所有的因子網(wǎng)絡（簇）被等分為兩部分，并按如下方式連接這些簇：一部分的簇g 中的點p 與另一部分的簇p 中的點g 相連.如果將每個簇視為一個超點，那么BSN（Ω）可視為這些超點經(jīng)簇間連接形成的完全二部圖Kn，n.圖3是以4 階環(huán)網(wǎng)C4為因子網(wǎng)絡的BSN.

設Ω 為因子網(wǎng)絡，g 為由因子網(wǎng)絡Ω 所形成的簇，p 為簇中的一個點，i 表示Biswapped 網(wǎng)絡Σ 中的某一部分，取值為0 或1，則Biswapped 網(wǎng)絡具有如下的良好性質(zhì).

圖3 由C4 組成的Biswapped 網(wǎng)絡Fig.3 A Biswapped network using C4

性質(zhì)1Σ 中的頂點度數(shù)|Σ|等于Ω 中的頂點度數(shù)|Ω|+1，且Σ 中頂點〈i，g，p〉的度degΣ（〈i，g，p〉）等于Ω（或簇g）中任一頂點的度數(shù)degΩ（g）+1.

性質(zhì)2Σ 的直徑D（Σ）與Ω 的直徑D（Ω）存在如下關系：D（Σ）=2D（Ω）+2.

性質(zhì)3如果因子網(wǎng)絡Ω 中存在哈密頓圈，則Σ 也存在哈密頓圈.

性質(zhì)4如果因子網(wǎng)絡Ω 是連通的，且任一頂點度數(shù)degΩ（g）=δ，則Σ中任意兩點〈i，g1，p〉與〈i，g2，p〉（g1≠g2）之間存在δ+1 條點不交路徑.

在BSN 中，如果其因子網(wǎng)絡具有Cayley 圖特性，則BSN 也具有相應的對稱性、點傳遞性和容錯性，這就是BSN 的設計目標.

但對于BSN 結構，僅僅靠普通商用迷你交換機不足以將MDC 中大量的服務器互連，必須將其進行適當擴展以滿足MDC 的需求.

2 EBSN 模型

EBSN 同樣以規(guī)模為n 的網(wǎng)絡作為因子網(wǎng)絡，由4n2個因子網(wǎng)絡構成.在EBSN 中，因子網(wǎng)絡稱為基本單元，2n 個基本單元互連構成一個組，2n 個組之間互連形成EBSN.

EBSN 中的服務器以（C，BU，S）形式表示，其中，C 表示服務器所在的組，BU 表示服務器所在的基本單元，S 為服務器在基本單元中的編號.EBSN中服務器的互連規(guī)則如下：

（1）服務器（Ci，BUi，Si）與（Ci，BUi，Sj）通過交換機互連；

（2）服務器（Ci，BUi，Si）與（Ci，BUj，Sj）互連，當且僅當BUi=n+Sj且Si=BUj或BUj=n+Si且Sj=BUi；

（3）服務器（Ci，BUi，Si）與（Cj，BUi，Sj）互連，當且僅當Ci=n+Sj且Si=Cj或Ci=n+Sj且Si=Cj.

如圖4所示，EBSN 模型中的每個組都是一個BSN，服務器000、001、010、011、020、021、030、031構成一個BSN.EBSN 模型通過擴展，使服務器000、001、100、101、200、201、300、301 也構成一個BSN，且與第1 個BSN 正交于基本單元00.因此，EBSN模型也可視為由多個基本單元以BSN 形式按正交方式構成.

圖4 Ω=C2 的EBSN（Ω）Fig.4 EBSN（Ω）with Ω=C2

設Ω 是規(guī)模為n 的因子網(wǎng)絡，令Γ=EBSN（Ω），則EBSN 具有如下性質(zhì).

性質(zhì)5如果因子網(wǎng)絡Ω 是Cayley 圖，則Γ 是點可遷的.

性質(zhì)6|Γ|=4n2|Ω|.

性質(zhì)7Γ 中的頂點度數(shù)=Ω 中頂點度數(shù)+2，因此EBSN 是一個正則圖.

性質(zhì)8Γ 的直徑D（Γ）與Ω 的直徑D（Ω）之間存在如下關系：D（Γ）=4D（Ω）+3.

性質(zhì)9當由因子網(wǎng)絡Ω 構成的Biswapped 網(wǎng)絡具有哈密頓圈時，Γ 也有哈密頓圈.

3 EBSN 的路由策略

ESBN 的路由協(xié)議需要解決如下3 個問題：①由于ESBN 在構造中沒有使用路由器，傳統(tǒng)的基于路由器的路由協(xié)議如OSPF 不再適用，必須有針對ESBN 模型的路由策略；②傳統(tǒng)的路由策略大多為分布式路由，由數(shù)據(jù)包所經(jīng)過的路徑上的每個路由設備獨立尋路，這種方式在EBSN 中將不可避免地產(chǎn)生轉發(fā)回路，故在ESBN 中不應使用分布式路由方式，而應使用源路由方式；③MDC 中的設備發(fā)生故障不可避免，且故障設備不易于替換，因此路由策略必須具有良好的容錯性以保證數(shù)據(jù)包的正常轉發(fā).

EBSN 的路由EBRouting 采用源路由方式，充分利用了EBSN 模型的特點，可以實現(xiàn)單點路由、多點路由和容錯路由.

3.1 單點無錯路由

EBSN 的路由過程可分為組間路由和組內(nèi)路由兩個部分.從源服務器（Cs，BUs，Ss）到目的服務器（Cd，BUd，Sd)（s≠d）的路由過程中，組間路由實現(xiàn)從組Cs到組Ct的尋路，組內(nèi)路由則在組Ct中實現(xiàn)從BUs到BUd的尋路.如前面所述，由于EBSN 模型是將若干個BSN 通過正交方法而得到，因此EBSN模型中的組間路由和組內(nèi)路由可以使用同樣的路由算法，從而降低算法設計的難度.

從（Cs，BUs，Ss）到（Cd，BUd，Sd）的EBRouting 算法如下：

在EBRouting 中，如果只使用下一跳地址，在轉發(fā)時還需要通過計算獲知通過哪一個網(wǎng)絡接口轉發(fā).為了提高轉發(fā)效率，在EBRouting 中采用網(wǎng)絡接口號來標識下一跳，路由時可按照網(wǎng)絡接口號進行轉發(fā).

3.2 多徑路由

在MDC 中，服務器之間往往通過多徑路由來提高網(wǎng)絡流量和傳輸效率.在構造多徑路由時，最常見的方法是構造點不交路徑.在EBSN 中，同樣可以通過構造多條點不交路徑來實現(xiàn)多徑路由.

如文獻［19］所述，在BSN 中任一節(jié)點可以有不超過其相鄰節(jié)點數(shù)量的點不交路徑.在EBSN 中，任一節(jié)點都處于BSN 模型中，因此也可以利用BSN的點不交路徑來構造多徑路由.

對于EBSN 中的節(jié)點（Cs，BUs，Ss），至少可選擇3個相鄰節(jié)點（Cs，BUs，Ss1）、（Cs2，BUs，Ss2）及（Cs，BUs3，Ss3），其中（Cs，BUs，Ss1）與（Cs，BUs，Ss）滿足服務器互連規(guī)則1，且Ss1與Cs、BUs、Ss都不同；（Cs2，BUs，Ss2）與（Cs，BUs，Ss）滿足服務器互連規(guī)則2，（Cs，BUs3，Ss3）與（Cs，BUs，Ss）滿足服務器互連規(guī)則3.

同理，目標節(jié)點（Cd，BUd，Sd）也有3 個鄰節(jié)點（Cd，BUd，Sd1）、（Cd2，BUd，Sd2）及（Cd，BUd3，Sd3）分別與目標節(jié)點滿足互連規(guī)則1、2、3.

在構建多徑路由時，在節(jié)點（Cs，BUs，Ss1）、（Cs2，BUs，Ss2）、（Cs，BUs3，Ss3）與節(jié)點（Cd，BUd，Sd1）、（Cd2，BUd，Sd2）、（Cd，BUd3，Sd3）之間分別建立路由.通過此方式建立的路由，可能產(chǎn)生點相交的情況.當兩條路徑點相交時，則可以按照BSN 的方式更新相交的路徑節(jié)點，找到邊不交的路徑.

3.3 容錯路由

服務器（交換機）故障是任何數(shù)據(jù)中心都無法避免的問題.傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心可通過更換設備保障數(shù)據(jù)中心的運行，而在MDC 中更換設備是不太可能的，因此，為了保證MDC 的正常工作，路由算法必須提供足夠的容錯性.

在EBSN 中，每臺服務器都要定期查詢互連服務器/ 交換機的狀態(tài)，以獲知其是否處于正常工作狀態(tài).綜合來說，設備故障主要有3 種：服務器故障（宕機）、服務器NIC 故障以及交換機故障.從發(fā)送方來看，這3 種故障的表現(xiàn)形式具有很大的相似性.當接收方的服務器出現(xiàn)故障或接收方的NIC 出現(xiàn)故障時，發(fā)送方都無法接收到響應報文，可一并視為鏈路故障；當交換機出現(xiàn)故障時，發(fā)送方將無法與同一基本單元中的其他服務器通信.因此，在EBSN 中需要解決的故障主要為鏈路故障和交換機故障.

在EBSN 中，可采取再路由的方式來規(guī)避故障設備，實現(xiàn)容錯路由.如圖5所示，有數(shù)據(jù)包從服務器src 發(fā)送至服務器dst.在服務器src 上使用EBRouting 源路由策略得到的路徑是將數(shù)據(jù)包轉發(fā)至服務器s1，再轉發(fā)至服務器s2，s2直接轉發(fā)至t1，最后經(jīng)服務器t2到達目的服務器dst，即路徑為src-＞s1-＞…-＞s2-＞t1-＞…-＞t2-＞dst.現(xiàn)假定s2未能收到從t1返回的查詢響應，則當數(shù)據(jù)包到達服務器s2時，由于存在故障，無法轉發(fā)至服務器t1.此時，服務器s2將進行本地再路由，再次執(zhí)行EBRouting 算法，重新確定一條可達目的服務器dst 的路徑，并將該路徑附加到原路徑中s2之后，得到新的路徑.

圖5 EBSN 的再路由Fig.5 Rerouting in EBSN

采用本地再路由方法需要注意是否產(chǎn)生回路.為避免產(chǎn)生回路，EBSN 中的再路由方法要求再路由時將第1 跳強制指定為與s2相連且未發(fā)生故障的服務器r1，而非交換機，進而經(jīng)r2轉發(fā)至目的服務器dst.

4 仿真與結果分析

構造EBSN 時僅需要使用服務器和普通八口商用交換機.首先將8 臺服務器與交換機連接，構成基本單元.16 個基本單元通過服務器的網(wǎng)絡接口按照Biswapped 網(wǎng)絡方式連接后形成組，最后將16 個組通過服務器的網(wǎng)絡接口連接，構成完整的EBSN網(wǎng)絡.通過EBSN 的連接方式可以實現(xiàn)2 048 臺服務器的連接，且僅需256 臺交換機.圖6為32 臺服務器所構成的EBSN.

圖6 32 臺服務器構成的EBSNFig.6 EBSN consisting of 32 servers

由性質(zhì)4 可知，在EBSN 中，由于因子網(wǎng)絡的直徑為1，故該網(wǎng)絡的直徑為7.

在仿真試驗中使用BCube（8，3）作為對照模型.BCube（8，3）由2 個完全的BCube（8，2）和1 個部分BCube（8，2）組成，共有2 048 臺服務器.為了與BCube的配置相同，在仿真時，在服務器之間以及服務器與交換機之間使用1Gb/s 的鏈路.對于MDC，當封裝在集裝箱中的服務器或交換機發(fā)生故障時的容錯吞吐量，尤其是全部對全部的吞吐量是一個關鍵的性能度量指標.在BCube 中，每臺服務器都有4 個網(wǎng)絡接口且平均路徑長為3.75，而在EBSN 中，每臺服務器僅有3 個網(wǎng)絡接口且平均路徑長為5.37，故EBSN 的聚合瓶頸帶寬（ABT）會小于BCube.

當服務器發(fā)生故障時，BCube 和EBSN 都出現(xiàn)性能衰減，如圖7（a）所示.這是因為在以服務器為中心的結構中，服務器是數(shù)據(jù)包轉發(fā)的重要組成部分.BCube 通過選擇通信路徑的方式旁路故障服務器，當故障服務器數(shù)量較少時，BCube 的吞吐量衰減趨勢稍明顯，這是由于可用通信路徑的減少影響了BCube 的吞吐量，但隨著故障服務器數(shù)量的增多，BCube 的吞吐量衰減趨緩.EBSN 通過容錯路由旁路故障服務器，當故障服務器數(shù)量較少時，旁路故障服務器能保證吞吐量所受影響較小，但當故障服務器的數(shù)量超過總數(shù)的10%時，由于旁路所帶來的開銷導致性能衰減趨勢增大.

當交換機發(fā)生故障時，BCube 的性能衰減明顯，如圖7（b）所示.其原因是BCube 中所有的路徑都必須經(jīng)過交換機，故交換機故障對BCube 的影響極大.而對于EBSN，當交換機發(fā)生故障時，可以通過服務器之間的互連繞行，以保證整個系統(tǒng)的性能，故性能衰減情況優(yōu)于BCube.

圖7 服務器/交換機故障時ABT 的衰減Fig.7 Degradation of ABT when server/switch failed

5 結論

文中提出了一種新的模塊化數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡模型EBSN.該模型采用服務器中心架構，模型中的服務器只有3 個網(wǎng)絡接口，且僅需使用普通商用迷你交換機.與BCube 的不完全結構相比，EBSN 具有完整的結構.在EBSN 中可實現(xiàn)單點路由、多徑路由和容錯路由，且減少了對交換機數(shù)量的要求.仿真結果表明，EBSN 具有良好的性能和容錯性.今后將研究EBSN 模型的負載均衡和資源調(diào)度等問題.

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