中圖分類號：TN915.1文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1009-6868 (2012) 04-0007-004

摘要：文章認為數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)確定其硬件設(shè)備的選取標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備之間的協(xié)同和互聯(lián)方式、以及數(shù)據(jù)中心的運行和維護機制。針對各種新的服務(wù)需求對數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)提出的更高的結(jié)構(gòu)性要求，業(yè)界提出了一些新的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。文章介紹并分析了這些拓撲結(jié)構(gòu)，主要有改進樹形結(jié)構(gòu)(如Fat-tree、VL2)、遞歸層次結(jié)構(gòu)(如DCell、FiConn、BCube)、能量比例結(jié)構(gòu)、矩陣結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)；拓撲結(jié)構(gòu)；云計算

Abstract: The topology of a data-center network (DCN) determines which device standards are used, how devices cooperate and interconnect, and which OAM mechanisms are used in the data-center. Diverse services require improved topological performance. To this end, we propose improved tree topologies, such as Fat-tree and VL2; recursively hierarchical topologies, such as DCell, FiConn, and BCube; energy percentage topologies; and matrix topologies.

Key words:data center networking; topology; cloud computing

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)是指數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，它通過高速的鏈路和交換機連接著大量的服務(wù)器[1]。數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)是基于服務(wù)器之間及時可靠的通信來發(fā)揮作用的，其作用是為數(shù)據(jù)中心的一切應(yīng)用和服務(wù)提供數(shù)據(jù)存儲、分析、處理和計算的物理平臺。數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)是數(shù)據(jù)中心硬件部分的核心基礎(chǔ)構(gòu)成，它的拓撲結(jié)構(gòu)給出了數(shù)據(jù)中心中所有交換機和服務(wù)器的連接關(guān)系，決定數(shù)據(jù)中心的具體組織形式。

作為數(shù)據(jù)中心與云計算技術(shù)的硬件支撐，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)已迅速成為學(xué)術(shù)界研究的熱點。近年來，計算機方向的國際頂級學(xué)術(shù)會議(如OSDI、ISCA、SIGCOMM、SIGMOD、INFOCOM、ICDCS、HPDC、SOSP等)都設(shè)立了關(guān)于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的議題。IEEE和ACM的諸多國際權(quán)威期刊(如IEEE Computing in Science and Engineering、IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems、IEEE/ACM Transactions on Networking等)經(jīng)?？菙?shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)學(xué)術(shù)文章。麻省理工大學(xué)、斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、俄亥俄州立大學(xué)、麥吉爾大學(xué)、清華大學(xué)、微軟研究院等全球著名大學(xué)及研究機構(gòu)成立了專門的研究組，開展對數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的研究。同時，谷歌、亞馬遜、微軟等公司也從未停止對數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的研究工作[2-3]。

1 研究數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓撲

結(jié)構(gòu)的意義

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)確定組成數(shù)據(jù)中心的硬件設(shè)備的選取標(biāo)準(zhǔn)，以及這些設(shè)備之間的協(xié)同和互聯(lián)方式，進一步確定數(shù)據(jù)中心本身的運行和維護。研究數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的意義主要體現(xiàn)在上層應(yīng)用的運行質(zhì)量、數(shù)據(jù)中心的建設(shè)成本和運行能耗兩個方面。

(1)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計決定上層應(yīng)用的運行質(zhì)量

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計給出數(shù)據(jù)中心各服務(wù)器之間的連接關(guān)系，即任意兩個服務(wù)器之間所有鏈路和中間節(jié)點的連接順序，從而確定服務(wù)器間通信的路由方式。數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)還直接影響著服務(wù)器間通信的容錯和整個網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制。因為無論采取冗余、自適應(yīng)路由、窗口速率控制或其他容錯和擁塞控制方法，都需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)所確定的節(jié)點連接關(guān)系傳遞控制信息。數(shù)據(jù)中心的上層應(yīng)用，如GFS[4]、HDFS[5]、Bigtable[6]、Dynamo[7]、Dryad[8]等等，都以并行和分布式的形式在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)上通過大量服務(wù)器間的協(xié)同通信來實現(xiàn)。這些服務(wù)器之間通信的路由、容錯和擁塞控制則決定上層應(yīng)用的運行質(zhì)量，包括服務(wù)時間、處理數(shù)據(jù)的吞吐量等。而這些又決定網(wǎng)絡(luò)服務(wù)運營商能否在單位時間內(nèi)為更多的用戶提供滿意的服務(wù)，獲取更大的利潤。

(2)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計決定數(shù)據(jù)中心的建設(shè)成本和運行能耗

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)中心的主體硬件部分，其結(jié)構(gòu)設(shè)計給出組成數(shù)據(jù)中心的三大主要硬件設(shè)備(服務(wù)器、交換機和鏈路)的數(shù)量和選取標(biāo)準(zhǔn)，如服務(wù)器或交換機的型號、網(wǎng)絡(luò)接口數(shù)量、額定功率等。具有不同網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)中心可容納的最大服務(wù)器數(shù)量是不同的，并且容納同樣數(shù)量的服務(wù)器所需要的交換機數(shù)量也是不同的。雖然現(xiàn)在的數(shù)據(jù)中心只需采用價格低廉的商務(wù)計算機作為服務(wù)器，但不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)對交換機的數(shù)量和性能要求都不相同，當(dāng)數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器數(shù)量達到幾萬臺或更多時，不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)會使得數(shù)據(jù)中心的建設(shè)成本和運行能耗[9]產(chǎn)生巨大的差異。

2 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

新的設(shè)計要求

由于普通計算機性能的快速提高以及對服務(wù)器數(shù)量需求的飛速增長，新的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)都不再使用專門設(shè)計的高端服務(wù)器和鏈路，只采用大量價格低廉的普通商務(wù)計算機作為服務(wù)器[10]。

近年來，隨著云計算技術(shù)在各個應(yīng)用領(lǐng)域的不斷發(fā)展以及對個人普通用戶的開放，層出不窮的各種在線云服務(wù)項目對數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)提出了新的設(shè)計要求，主要包括以下3點：

?要具備較強的可拓展性，不僅要能夠容納大量的服務(wù)器，還要支持服務(wù)器數(shù)量的持續(xù)增長。

?要具備較高的可靠性，以應(yīng)對各種各樣的服務(wù)器故障和鏈路故障。

?要具備較好的網(wǎng)絡(luò)性能，以支持帶寬需求量大的服務(wù)。

3 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

目前已經(jīng)建成并投入使用的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般都是由兩層或三層的路由器和交換機組成的樹形結(jié)構(gòu)[11-12]構(gòu)成，如圖1所示。三層結(jié)構(gòu)設(shè)計為：結(jié)構(gòu)樹的葉子是邊緣層，放置各服務(wù)器(普通計算機)；中部是集合層，放置集合交換機；根部是核心層，放置核心交換機。集合層的每臺交換機向下一般連接著幾十或上百臺服務(wù)器，向上則都連接著核心交換機。如果服務(wù)器數(shù)量較多，則集合層內(nèi)部會分出更多的層次放置集合交換機，即集合交換機的父節(jié)點依然會是集合交換機。兩層結(jié)構(gòu)的設(shè)計則只包括核心層和邊緣層。

隨著數(shù)據(jù)中心的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即樹形結(jié)構(gòu)，逐漸暴露出越來越多的缺陷和不足。采用樹形結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)雖然建造起來比較簡單方便，但不便于拓展和升級。這種結(jié)構(gòu)中的服務(wù)器全部都集中在葉子層，而且服務(wù)器僅與各自的交換機相連，這樣核心交換機和集合交換機成為帶寬的“瓶頸”，一個核心交換機故障可能會導(dǎo)致上千臺服務(wù)器失效。為了滿足數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)新的設(shè)計要求，提高數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的可擴展性、可靠性等拓撲性能，研究者們提出了一些新的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3.1 改進樹形結(jié)構(gòu)

Fat-tree是對傳統(tǒng)樹形結(jié)構(gòu)的一種改進結(jié)構(gòu)。Fat-tree結(jié)構(gòu)樹中的一個中間節(jié)點可以有多個父節(jié)點，即增加了上下層集合交換機之間以及集合交換機與核心交換機之間的鏈路數(shù)量。圖2給出了Fat-tree的節(jié)點連接方式。由于增大了網(wǎng)絡(luò)的連通性，F(xiàn)at-tree從一定程度上提高了數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的可靠性。但Fat-tree還不能從根本上解決數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓展和升級的問題。原因在于它繼承了傳統(tǒng)樹形結(jié)構(gòu)的諸多設(shè)計缺陷：第一，同傳統(tǒng)樹形結(jié)構(gòu)一樣，F(xiàn)at-tree需要采用專門設(shè)計的高層集合交換機以及核心交換機，隨著服務(wù)器數(shù)量的增加，對集合交換機和核心交換機的性能要求會越來越高，價格也會更加昂貴；第二，當(dāng)交換機數(shù)量增加到一定程度時，需要改變原有數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，增加集合交換機的層次數(shù)量；第三核心交換機依然是帶寬和性能的“瓶頸”。

為了改進傳統(tǒng)樹形結(jié)構(gòu)的拓展性，實現(xiàn)服務(wù)資源的動態(tài)分配，Albert Greenberg[13]等人基于傳統(tǒng)樹形結(jié)構(gòu)，提出了一種可拓展的靈活的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)——VL2。該結(jié)構(gòu)利用虛擬機技術(shù)將傳統(tǒng)樹形結(jié)構(gòu)的集合層虛擬化為統(tǒng)一的域，使得所有服務(wù)器仿佛連接到同一個局域網(wǎng)，并且可以根據(jù)服務(wù)需求動態(tài)分配服務(wù)器的IP地址，有效提高了網(wǎng)絡(luò)性能和服務(wù)效率。由于基本沿襲了傳統(tǒng)樹形結(jié)構(gòu)的節(jié)點連接方式，并且對節(jié)點的選取標(biāo)準(zhǔn)也沒有太大的變化，因此VL2是目前最易用于對現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)改造的結(jié)構(gòu)，但網(wǎng)絡(luò)的可靠性并沒有得到較大的改善。

3.2 遞歸層次結(jié)構(gòu)

遞歸層次結(jié)構(gòu)[14]是解決數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)可拓展性問題的一種較好選擇。設(shè)計遞歸層次結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，主要是設(shè)計好最小遞歸單元的結(jié)構(gòu)和確定好遞歸規(guī)律。在遞歸層次結(jié)構(gòu)中，每一個高層的網(wǎng)絡(luò)拓撲都由多個低一層的遞歸單元按照遞歸規(guī)律相互連接構(gòu)成，同時也構(gòu)成了組建更高層級網(wǎng)絡(luò)拓撲的一個遞歸單元。當(dāng)需要增加服務(wù)器數(shù)量時就提高總的遞歸層次，此時整個數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模可增長數(shù)倍。該結(jié)構(gòu)中的服務(wù)器都處于平行或并列的位置。采用這種結(jié)構(gòu)，能夠為數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)靈活地添加大量的服務(wù)器，而不用改變已經(jīng)存在的拓撲結(jié)構(gòu)。而且遞歸層次結(jié)構(gòu)對交換機的性能要求很低，通常只需采用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一且價格低廉的普通商務(wù)交換機即可，大大節(jié)省了數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的建造成本。

DCell、FiConn[15]、BCube[16]是幾種比較典型的遞歸層次結(jié)構(gòu)。其相同點是最小遞歸單元的結(jié)構(gòu)完全一樣，即用一個交換機連接著多個服務(wù)器，區(qū)別在于采用了不同的遞歸規(guī)律。

DCell利用完全圖的節(jié)點連接關(guān)系作為遞歸規(guī)律，同層次的任意兩個遞歸單元之間都有一對服務(wù)器直接相連。因而DCell也具備了完全圖的優(yōu)點和缺點。其遞歸單元之間的全連通性極大地提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，但使得每個服務(wù)器連有多條鏈路，這就要求每個服務(wù)器都裝有多個端口。圖3顯示了DCell結(jié)構(gòu)的節(jié)點連接方式。

FiConn與DCell類似，是在DCell的基礎(chǔ)上犧牲連通性得到的拓撲結(jié)構(gòu)。遞歸單元僅使用一半的服務(wù)器空閑端口相互連接構(gòu)成。FiConn使得數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建變得相對簡單，成本更加低廉。圖4顯示了FiConn的節(jié)點連接方式。

BCube利用超立方體(Hypercube)[17]的節(jié)點連接關(guān)系作為遞歸規(guī)律，同層次不同遞歸單元中相同位置上的所有服務(wù)器都通過一個交換機相互連接。BCube也要求每個服務(wù)器都裝有多個端口，但具備了超立方體連通性高、直徑小、可靠性好的優(yōu)點。圖5和圖6顯示了BCube結(jié)構(gòu)的節(jié)點連接方式。

中國對數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的研究起步較晚，但已有學(xué)者在DCell和BCube的基礎(chǔ)上提出了新的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，被稱為雪花結(jié)構(gòu)[18]。雪花結(jié)構(gòu)也以遞歸方式構(gòu)建，并且采用了與DCell、FiConn和BCube相同的最小遞歸單元。

3.3 其他結(jié)構(gòu)

在成本控制、運營效率和資源利用率等因素的驅(qū)動下，工業(yè)界也一直在研究適應(yīng)市場需求的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)。如博科公司于2007年發(fā)布的數(shù)據(jù)中心架構(gòu)(DCF)，通過整合存儲網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器來構(gòu)建服務(wù)器集群，成為單一融合的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施，簡化了數(shù)據(jù)中心的連接并降低了成本[19]?？紤]到通常情況下數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器資源并非被完全利用，谷歌公司的研究人員設(shè)計出了一種能量比例結(jié)構(gòu)，按照扁平化蝴蝶拓撲的節(jié)點連接方式連接各服務(wù)器，以保證數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的電能消耗與服務(wù)器的利用率相匹配，即網(wǎng)絡(luò)能耗與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量成比例，從而最大限度地降低數(shù)據(jù)中心的運行成本[20]。此外，矩陣結(jié)構(gòu)也是工業(yè)部門正在研究的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之一，即通過交換矩陣的方式構(gòu)建超高速、低延遲和超額配置程度低的服務(wù)器集群，以便為優(yōu)化服務(wù)器集群的運行提供多種服務(wù)[21]。

4 結(jié)束語

本文對目前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)方面的研究情況做了介紹。闡述了數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的研究意義，概述了數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的新設(shè)計要求，介紹了傳統(tǒng)樹形結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成和存在的缺陷，分別介紹了改進樹形結(jié)構(gòu)、遞歸層次結(jié)構(gòu)以及其他結(jié)構(gòu)的拓撲構(gòu)造和優(yōu)缺點。

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收稿日期：2012-04-26

作者簡介

丁澤柳，國防科技大學(xué)信息系統(tǒng)工程國家重點實驗室在讀博士研究生；主要研究方向為復(fù)雜信息系統(tǒng)。