新型數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)探究

信陽農(nóng)林學(xué)院信息工程學(xué)院 潘 赟

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新型數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)探究

信陽農(nóng)林學(xué)院信息工程學(xué)院 潘 赟

【摘要】傳統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能滿足新技術(shù)發(fā)展的需要，針對此類問題，文章介紹了PortLand、SecondNet和Jellyfish等幾種新型的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)。并總結(jié)了未來數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)未來的發(fā)展方向，要對數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行探索和改進，流量以及失效規(guī)律進行測量與建模，體現(xiàn)節(jié)能機制等。

【關(guān)鍵詞】數(shù)據(jù)中心；體系結(jié)構(gòu)；網(wǎng)絡(luò)

1　傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)逐漸不能滿足用戶需要

傳統(tǒng)的DCN（data center network）是利用網(wǎng)絡(luò)中的分布在多處的大量服務(wù)器通過高速介質(zhì)以及大量互連設(shè)備鏈接起來工作的。傳統(tǒng)的體系機構(gòu)利用分層劃分的方式實現(xiàn)對整個網(wǎng)絡(luò)的規(guī)范和管理。但是隨著云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)的日益發(fā)展，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中心結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足網(wǎng)絡(luò)日益發(fā)展的需要，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模發(fā)展非常快，需要服務(wù)器的數(shù)量也是越來越多，就目前的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模而言，需要的服務(wù)器的數(shù)量最少也要幾十萬個。

2）現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)需要的流量也是越來越大，因為MapReduce和虛擬機遷移的應(yīng)用非常廣泛，這些技術(shù)都是帶寬密集型的應(yīng)用，這就要求數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的流量非常高［1］。這些流量占總流量的80%左右。

3）傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)只能用來輔助設(shè)計高效的路由算法，而現(xiàn)在很多新型的數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)存在很大的差別。

4）現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用最廣泛的技術(shù)就是虛擬化技術(shù)，這樣就要求數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)必須要能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬機的任意遷移和部署，同時還不能對應(yīng)用層產(chǎn)生任何的影響。

5）現(xiàn)在的數(shù)據(jù)中心內(nèi)有很多的服務(wù)器和交換機，在此情況下，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)還必須要即插即用。

6）就全球網(wǎng)絡(luò)的資源而言，現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的能耗是最高的，同時數(shù)據(jù)中心的超過80%的鏈路負載非常輕。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的能耗更高。

2　幾種新型的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)方案

在新型的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)方案中，有一個重要的特點就是需要改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)方式和路由機制，文章選用3個代表新方案PortLand、SecondNet和Jellyfish。

2.1PortLand結(jié)構(gòu)

PortLand體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。該體系結(jié)構(gòu)是由FatTree網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)演變而來，傳統(tǒng)的樹形網(wǎng)絡(luò)拓撲中，帶寬是逐層減小的，樹根處的網(wǎng)絡(luò)帶寬要遠小于各個葉子處所有帶寬的總和。而FatTree網(wǎng)絡(luò)則更像是真實的樹，越到樹根，枝干越粗，即：從葉子到樹根，網(wǎng)絡(luò)帶寬不減少，這一特點也是是其能架構(gòu)支撐無阻塞網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。

圖1　AMAC與PMAC的映射

PortLand與FatTree網(wǎng)絡(luò)兩者最大的區(qū)別就是PortLand結(jié)構(gòu)使用了一個重要的參數(shù)［2］，此參數(shù)就是基本結(jié)構(gòu)管理者（fabric manager），同時還通過層次偽MAC地址負責分組和轉(zhuǎn)發(fā)。該體系結(jié)構(gòu)在FatTree網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上構(gòu)建了第二層路由選擇和轉(zhuǎn)發(fā)的協(xié)議，但是PortLand需要升級原始交換機才能滿足層次協(xié)議的要求。

2.2SecondNet體系結(jié)構(gòu)

SecondNet體系結(jié)構(gòu)如圖2所示，此體系有個重要的特點，那就是引入了一種重要的參數(shù)，此參數(shù)是VDC管理者（VDC manager），此參數(shù)的主要任務(wù)是完成行VDC創(chuàng)建、調(diào)整和刪除。同時通過此參數(shù)和交換機還可以實現(xiàn)系統(tǒng)的計算。此圖中的虛線表示VDC 管理者的樹形管理系統(tǒng)，此圖中粗實線表示的是一條PSSR路徑［3］。

圖2　SecondNet 體系結(jié)構(gòu)

2.3Jellyfish體系結(jié)構(gòu)

此體系結(jié)構(gòu)如圖3所示，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在很大程度上限制了網(wǎng)絡(luò)的擴展，為了得到更短的平均路徑長度，同時實現(xiàn)減小網(wǎng)絡(luò)耗費，學(xué)者才提出了此體系結(jié)構(gòu)。次體系重要的一個特點就是可以在ToR交換機層上構(gòu)建一個隨機圖，從而獲得相對更短的路徑長度，并相應(yīng)的減少網(wǎng)絡(luò)的功耗。

Jellyfish可以獲得比FatTree更優(yōu)化的路徑長度，且能獲得更大的帶寬。但是網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的改變，網(wǎng)絡(luò)拓撲更加隨機，帶了的是布線方式的挑戰(zhàn)，特別是在連接Jellyfish集裝箱數(shù)據(jù)中心的時候，如何使用光釬布線是一個突破點。另外網(wǎng)絡(luò)中也要考慮如何進一步優(yōu)化Jellyfish網(wǎng)絡(luò)的路徑選擇機制。

圖3　Jellyfish拓撲

3　總結(jié)

前面論述了幾個新型的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，未來數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)未來的發(fā)展方向，必須要對數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行探索和改進，流量以及失效規(guī)律進行測量與建模，體現(xiàn)節(jié)能機制等。

1）互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)多采用分布式系統(tǒng)處理方式，目前，許多研究者也提出了很多的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，新的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品和傳輸介質(zhì)的不斷更新，對于提出新興網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的研究是很有意義的，但是也是需要經(jīng)過長期的研究和實踐的驗證。

2）所有數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都要進行改進，包括從網(wǎng)際接口層到傳輸層的所有協(xié)議。新的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的出現(xiàn)，改變的傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)層次的功能，以至結(jié)構(gòu)和協(xié)議存在很大的區(qū)別，而在互聯(lián)網(wǎng)覆蓋面更加廣泛的前提下，就更加迫切的要求對應(yīng)協(xié)議的改進，以保證網(wǎng)絡(luò)運行的安全性和有效性。

3）需要進行流量以及失效規(guī)律的測量與建模。在新型的網(wǎng)絡(luò)中存在很多異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，所有網(wǎng)絡(luò)的流量模式也不盡相同。所以就必須要通過多種的架構(gòu)進行處理，進行數(shù)據(jù)中心流量和失效特征進行深入的研究，并實現(xiàn)測量和建模分析。因為只有通過數(shù)據(jù)的分析才能更好的構(gòu)架出科學(xué)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)模型。

4）在整個網(wǎng)絡(luò)運行中體現(xiàn)低能耗?，F(xiàn)在全世界對設(shè)備能耗的的要求越來越重視，這就要求網(wǎng)絡(luò)體現(xiàn)結(jié)構(gòu)以及運行過程中使用到的設(shè)備要盡可能的低能耗。包括網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的低能耗、路由轉(zhuǎn)發(fā)時的低能耗，以及轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點和虛擬機的低能耗等方面。

文章論述了討論了傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體現(xiàn)結(jié)構(gòu)在新的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下存在的缺陷及存在的問題。針對這些問題，文章著重論述了PortLand、SecondNet和Jellyfish等體系結(jié)構(gòu)，以及在未來的發(fā)展過程中要涉及到的幾個方面。

參考文獻

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