針對多層網(wǎng)絡(luò)和Fat tree網(wǎng)絡(luò)的仿真研究

陳 曦

（河南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)信息中心，河南 洛陽 471023）

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)是指數(shù)據(jù)中心內(nèi)部通過高速鏈路和交換機連接大量服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)[1]。其主要設(shè)計以優(yōu)化成本和性能為目標，要求網(wǎng)絡(luò)具有高帶寬、高可擴展性、高容錯性、低延遲、低開銷的特性，這使得數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓撲構(gòu)成為一個關(guān)鍵的設(shè)計元素。

本文主要分析對比了多層網(wǎng)絡(luò)和Fat tree網(wǎng)絡(luò)特點，并根據(jù)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的多對一流量模式，利用Qualnet網(wǎng)絡(luò)仿真軟件對多層網(wǎng)絡(luò)和Fat tree網(wǎng)絡(luò)進行了仿真，并設(shè)置了節(jié)點失效的情況，對比分析其容錯性特點。

1 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓撲

常見的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的拓撲可分為三種：基于交換機的拓撲、基于服務(wù)器的拓撲、交換機與服務(wù)器混合的拓撲。在基于交換機的拓撲中，使用交換機進行包的轉(zhuǎn)發(fā)；在基于服務(wù)器的拓撲中，使用服務(wù)器不僅執(zhí)行應(yīng)用服務(wù)，而且還負責服務(wù)器間包的轉(zhuǎn)發(fā)；而在交換機和服務(wù)器混合的拓撲中，交換機和服務(wù)器同時參與包的轉(zhuǎn)發(fā)。

常見的基于交換機的拓撲如：多層網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)at tree，VL2，Portland]等。基于服務(wù)器的拓撲如：Camcube。基于交換機和服務(wù)器的混合拓撲有：BCube。本文主要介紹多兩種基于交換機的拓撲結(jié)構(gòu)。

1.1 多層網(wǎng)絡(luò)

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓撲主要是采用層次架構(gòu)實現(xiàn)的，自上而下通常分為核心層、匯聚層和接入層。多層網(wǎng)絡(luò)作為傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)常用于企業(yè)的數(shù)據(jù)中心。典型的三層拓撲結(jié)構(gòu)包括根級別的核心交換機，中間層的匯聚交換機，和連接到主機和服務(wù)器的接入交換機，采用樹形結(jié)構(gòu)相連接，網(wǎng)絡(luò)中的鏈路使用以太網(wǎng)協(xié)議，服務(wù)器間為了減少廣播和提高網(wǎng)絡(luò)安全性，可以使用VLAN將其劃分不同的邏輯子網(wǎng)實現(xiàn)隔離。由于VLAN之間無法直接通信，需要通過三層交換機進行轉(zhuǎn)發(fā)。通過二層交換技術(shù)生成樹協(xié)議（STP）來管理拓撲，三層路由協(xié)議使用開放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議（OSPF），可以提供等價多路徑（ECMP）來實現(xiàn)負載均衡功能。層次樹形網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)、管理和和擴展，多層網(wǎng)絡(luò)對根節(jié)點的依賴過大，一旦根節(jié)點失效，將對網(wǎng)絡(luò)性能造成很大的影響。

1.2 Fat tree網(wǎng)絡(luò)

Al-Fares等人提出了一種Fat tree的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，F(xiàn)at tree主要通過互連一些低端廉價的交換機來代替多層網(wǎng)絡(luò)拓撲中的高端交換機，因此多層網(wǎng)絡(luò)中的匯聚層和接入層的交換機將被替換為一組互聯(lián)的低端交換機替代。Fat tree位于匯聚層和接入層的交換機被分為K個域（Pod），每個域中的交換設(shè)備實現(xiàn)上行和下行鏈接數(shù)目相等，K個核心交換機共K2個端口分別連接K個域（Pod）。由于Fat tree中每個域（Pod）有相等的上行和下行連接數(shù)目，因此Fat tree有充分的對分帶寬，另外由于拓撲中的域采用低端廉價的交換設(shè)備，因此該拓撲也是經(jīng)濟和高度可擴展的。

2 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的流量特點

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)流量主要是服務(wù)器間的流量，東西向流量要多于南北向流量，主要有一對一、一對多、多對一和多對多等集群通信方式[2]。由于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)提供了諸如Web應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)硬盤、搜索引擎、集群計算等諸多應(yīng)用服務(wù)，所以需要數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)在極短的時間內(nèi)處理大量的分布式計算和數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，對網(wǎng)絡(luò)的性能提出了更高的要求。由于多用戶需要共享數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的計算、存儲和帶寬等資源這一特性，因此數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)如何選用合理的拓撲結(jié)構(gòu)從而高效調(diào)度網(wǎng)絡(luò)資源也成為當今的研究熱點。

3 基于Qualnet的網(wǎng)絡(luò)仿真實驗

QualNet 是由Scalable Network Technologies公司推出的一款商業(yè)性全球移動信息系統(tǒng)模擬器。QualNet仿真平臺能模擬通信網(wǎng)絡(luò)行為的規(guī)劃、測試和訓(xùn)練。為了分析對比多層網(wǎng)絡(luò)和Fat tree拓撲的性能，驗證節(jié)點失效對網(wǎng)絡(luò)的影響。分別采用基于鏈路狀態(tài)路由選擇的OSPFv2算法來分別對多層網(wǎng)絡(luò)與Fat tree網(wǎng)絡(luò)進行仿真，采用FTP應(yīng)用來模擬數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的東西向流量，采用多對一的流量模式，兩個FTP應(yīng)用服務(wù)向另一個接入交換機下的服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，每個FTP發(fā)送1000個數(shù)據(jù)項。實驗的仿真時間設(shè)置為300秒。另外為了保證實驗的公平性，多層網(wǎng)絡(luò)和Fat tree網(wǎng)絡(luò)設(shè)置相同的服務(wù)器數(shù)量，設(shè)置為16臺服務(wù)器，超額認購比為1：1。核心交換機以萬兆接口與下行相連接，匯聚交換機和接入交換機間用千兆以太網(wǎng)相連，接入交換機與服務(wù)器和終端間用百兆以太網(wǎng)相連。

圖1 Fat tree網(wǎng)絡(luò)東西向流量仿真圖

相比于多層網(wǎng)絡(luò)，圖1的Fat tree網(wǎng)絡(luò)采用基于OSPFv2路由協(xié)議可以充分的利用網(wǎng)絡(luò)冗余鏈路，使得網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的負載更加的均衡。通過采用OSPFv2路由協(xié)議能使用更多的節(jié)點進行數(shù)據(jù)包的單播轉(zhuǎn)發(fā)，從而降低了核心層和匯聚層節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包量。

另外為了驗證多層網(wǎng)絡(luò)和Fat tree網(wǎng)絡(luò)拓撲中根節(jié)點即核心交換機失效時對網(wǎng)絡(luò)性能的影響，本文設(shè)計將核心層的一個節(jié)點設(shè)置為靜態(tài)失效，失效時間從仿真開始的10秒到30秒，即核心層節(jié)點持續(xù)20秒的失效期。

圖2 沒有節(jié)點失效時Fat tree節(jié)點的平均延時

圖3 節(jié)點11失效時Fat tree節(jié)點的平均延時

根據(jù)實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于多層網(wǎng)絡(luò)，當核心節(jié)點出現(xiàn)失效時，會提高其他高節(jié)點的平均時延，而對比圖2和圖3，發(fā)現(xiàn)對于Fat tree網(wǎng)絡(luò)，當核心節(jié)點失效時，基本上不會提高其他節(jié)點的平均時延。因此，相對于多層網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)at tree對根節(jié)點失效具有較強的容錯性。

4 結(jié)束語

本文介紹并分析了數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中多層網(wǎng)絡(luò)和Fat tree拓撲的特點，總結(jié)了數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的流量特征，并通過使用Qualnet網(wǎng)絡(luò)仿真對多層網(wǎng)絡(luò)和Fat tree進行了仿真，通過實驗證明了在使用OSPFv2協(xié)議下Fat tree相對于多層網(wǎng)絡(luò)具有更多的鏈路冗余，及匯聚和核心層的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)量更小。并且證明在節(jié)點失效的情況下，F(xiàn)at tree對節(jié)點失效具有較強的容錯性，更適合用于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)。