如何在三種典型的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)中進(jìn)行取舍

趙 哲，胡瑩瑩

（國(guó)家無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)中心，北京 100037）

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如何在三種典型的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)中進(jìn)行取舍

趙 哲，胡瑩瑩

（國(guó)家無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)中心，北京 100037）

本文通過(guò)介紹數(shù)據(jù)中心的相關(guān)概念，分析了三種數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，展示了基于這些網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的數(shù)據(jù)中心在數(shù)據(jù)吞吐和計(jì)算性能方面的優(yōu)劣。

云計(jì)算；數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)；胖樹(shù)結(jié)構(gòu)；混合型網(wǎng)絡(luò)

1 引言

隨著基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)日益完備，大容量帶寬成為主流，虛擬化技術(shù)日新月異，基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)中心也呈現(xiàn)出了爆發(fā)式的增長(zhǎng)。在數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)的幾個(gè)要點(diǎn)中，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?guī)劃一定程度上決定了數(shù)據(jù)中心初始建設(shè)成本，以及建成后數(shù)據(jù)中心的整體運(yùn)行效率。早期的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)建設(shè)在滿(mǎn)足數(shù)據(jù)中心規(guī)模日益增大和聚合網(wǎng)絡(luò)帶寬方面比較欠缺，即使是一些超大規(guī)模的企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)中心，正常情況下也只能

實(shí)現(xiàn)50%的網(wǎng)絡(luò)帶寬聚合能力。這種傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在數(shù)據(jù)中心增長(zhǎng)過(guò)程中呈現(xiàn)的不足之處，一定程度上也觸發(fā)了研究人員在不停的嘗試和開(kāi)發(fā)新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以解決日益增長(zhǎng)的云計(jì)算需求。

2 數(shù)據(jù)中心的綜合介紹

數(shù)據(jù)中心可以理解為一個(gè)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接各種應(yīng)用，對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)和備份，并相互聚合形成的一個(gè)對(duì)外提供服務(wù)的計(jì)算資源池。數(shù)據(jù)中心中主要的信息和交互技術(shù)有下列幾點(diǎn)構(gòu)成：（a）服務(wù)器和（b）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心以服務(wù)器為節(jié)點(diǎn)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分層將各個(gè)服務(wù)器連接，從而形成一個(gè)整體的服務(wù)體系。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的不斷擴(kuò)大，所需連接的服務(wù)器也正在以幾何級(jí)數(shù)的規(guī)模在各個(gè)數(shù)據(jù)中心中不斷增加。例如，谷歌在2007年時(shí)數(shù)據(jù)中心已經(jīng)擁有了900,000個(gè)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)了；微軟的數(shù)據(jù)中心也正在以每14個(gè)月翻一倍的速度對(duì)自己的服務(wù)器進(jìn)行擴(kuò)容。

大規(guī)模服務(wù)器節(jié)點(diǎn)增加的同時(shí)，數(shù)據(jù)中心就會(huì)在容錯(cuò)性、投入產(chǎn)出比、可以容納的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)等方面面臨一些問(wèn)題。另外一個(gè)數(shù)據(jù)中心的重要設(shè)計(jì)需求就是可以將現(xiàn)有的低成本設(shè)備融合到網(wǎng)絡(luò)中，作為一個(gè)資源整體提供云服務(wù)能力?？墒乾F(xiàn)實(shí)中這種對(duì)于低成本設(shè)備的融合基本很少見(jiàn)到，大多數(shù)的數(shù)據(jù)中心依然都是通過(guò)較高投入，購(gòu)買(mǎi)昂貴的企業(yè)級(jí)設(shè)備進(jìn)行基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

3 三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的概念和部署方式

3.1 傳統(tǒng)DCN拓?fù)?/p>

傳統(tǒng)DCN結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)中心是基于對(duì)于網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分層而規(guī)劃出的，通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為三層，高一層的架構(gòu)擁有更高的交換和路由能力，從而形成整體的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)。

圖1 傳統(tǒng)DCN拓?fù)?/p>

3.2 Fat-tree DCN拓?fù)?/p>

Fat-tree DCN是基于傳統(tǒng)DCN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的一種修正結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)主要是針對(duì)存在超量請(qǐng)求和跨域間訪(fǎng)問(wèn)量較大的數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)的。這種類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟策€是基于三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)構(gòu)建的，只是在交換層通過(guò)增加更多的交換機(jī)從而保證上下行網(wǎng)絡(luò)無(wú)收斂。

圖2 Fat-tree DCN拓?fù)?/p>

3.3 DCell拓?fù)?/p>

DCell拓?fù)涫且苑?wù)器節(jié)點(diǎn)為中心的混合型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。一個(gè)服務(wù)器會(huì)同時(shí)和若干個(gè)其他服務(wù)器直連。通過(guò)遞歸連接的方式，DCell將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由若干個(gè)Cell分層構(gòu)架而成。Cell是一個(gè)基本的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)達(dá)到一定規(guī)模之后，會(huì)作為一個(gè)新的Cell而成為更高一級(jí)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在對(duì)服務(wù)器有大規(guī)模需求的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中可以將網(wǎng)絡(luò)容量擴(kuò)展到極致。一個(gè)有6臺(tái)服務(wù)器構(gòu)成基本Cell的4層DCell網(wǎng)絡(luò)，原則上可以容納3,600,000臺(tái)服務(wù)器。除了極為強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器容量外，DCell網(wǎng)絡(luò)也具有極高的穩(wěn)健性。不過(guò)可以很明顯看出來(lái)，域間訪(fǎng)問(wèn)和網(wǎng)絡(luò)延時(shí)在這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中會(huì)成為一個(gè)比較明顯的缺點(diǎn)。

圖3 DCell拓?fù)?/p>

4 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是大型數(shù)據(jù)中心的最重要的組成部分，一定程度上決定了數(shù)據(jù)中心的計(jì)算性能和數(shù)據(jù)吞吐量。大量的模擬測(cè)試和驗(yàn)證分析表明70%的網(wǎng)絡(luò)流量通常發(fā)生在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，而不是數(shù)據(jù)中心和用戶(hù)之間。傳統(tǒng)的兩層或者三層DCN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在構(gòu)建大型數(shù)據(jù)中心時(shí)需要的成本相對(duì)偏高。根據(jù)上文中提到的這三種技術(shù)，我們可以把數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為三種類(lèi)型：一是以交換機(jī)為中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；二是通過(guò)服務(wù)器和交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的混合型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；三是以服務(wù)器為中心的的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

以交換為中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)承擔(dān)了所有的路由和交換功能，典型的代表就是傳統(tǒng)DCN和Fat-tree DCN結(jié)構(gòu)。而混合型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)通過(guò)服務(wù)器和交換機(jī)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。以服務(wù)器為中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)則完全沒(méi)有依賴(lài)于交換機(jī)，只是通過(guò)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的處里和轉(zhuǎn)發(fā)。

目前在工業(yè)界應(yīng)用最廣泛的，以傳統(tǒng)的交換為中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，三層架構(gòu)是主要的技術(shù)方案，交換機(jī)被放置于接入層、匯聚層、核心層。資源池中的服務(wù)器通過(guò)這三層交換機(jī)互聯(lián)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入和輸出。核心層構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，每一個(gè)匯聚層的交換機(jī)都樹(shù)形分布于和核心層的下一層。所以核心層和匯聚層的交換機(jī)性能要求相對(duì)較高，通常采用高性能的企業(yè)級(jí)交換機(jī)。

通過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)這三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬之后，結(jié)果表明以Fat-tree型的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的數(shù)據(jù)中心計(jì)算性能是獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)大小的，也就是說(shuō)數(shù)據(jù)中心的性能相對(duì)穩(wěn)定。不過(guò)Fat-tree網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相對(duì)來(lái)講更加昂貴。DCell結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)中心性能則取決于網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。規(guī)模越大的數(shù)據(jù)中心，相對(duì)來(lái)講，DCell結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)更適合。而傳統(tǒng)的三層架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)則取決于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜陀脩?hù)請(qǐng)求數(shù)。在拓?fù)洳⒉粡?fù)雜，用戶(hù)數(shù)相對(duì)較少的情況下，這種架構(gòu)是代價(jià)最小，維護(hù)成本最低的一種選擇。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的介紹和實(shí)驗(yàn)分析，我們可以得出這樣的結(jié)論：如果是對(duì)超大型數(shù)據(jù)中心有需求，而域間訪(fǎng)問(wèn)不是主要的特點(diǎn)時(shí)，采用DCell架構(gòu)可以明顯提高數(shù)據(jù)中心的整體容量；如果數(shù)據(jù)中心對(duì)服務(wù)器規(guī)模沒(méi)有強(qiáng)烈的需求，建設(shè)資金充沛，而更加在意網(wǎng)絡(luò)性能的前提下，采用Fattree架構(gòu)比較合理；如果在建設(shè)規(guī)模和投入資金方面需要折中，而整體訪(fǎng)問(wèn)量相對(duì)較小的情況下，傳統(tǒng)的DCN架構(gòu)會(huì)比較合適。

[1] Guo,Chuanxiong,et al."Dcell:a scalable and fault-tolerant network structure for data centers." ACM SIGCOMM Computer Communication Review 38.4 (2008):75-86.

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How to Choose the Right Network Topology in Data Center Design

Zhao Zhe,Hu Yingying
(The State Radio Monitoring Center,Beijing,100037)

In this paper,we present several major concepts of numerous Data Center Network topologies.Along with these key concepts,we analyze the throughput and performance by adopting existed research results.

Cloud Computing;Data Center Network;Fat-Tree;DCell;Hybrid Network

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.05.018

TN915.03 文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2016）05-0056-03

趙 哲，男，漢族，碩士研究生，畢業(yè)于美國(guó)佐治亞大學(xué)，獲得計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)理學(xué)碩士，現(xiàn)就職于國(guó)家無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)中心信息管理處。

胡瑩瑩，女，漢族，碩士研究生，畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)，獲得計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)理學(xué)碩士，現(xiàn)就職于國(guó)家無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)中心信息管理處。