李 德 順， 申 彥 明， 李 克 秋

( 大連理工大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 遼寧 大連 116024 )

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DPClos：基于3級Clos結(jié)構(gòu)的集裝箱數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

李 德 順， 申 彥 明， 李 克 秋*

( 大連理工大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 遼寧 大連 116024 )

集裝箱數(shù)據(jù)中心因其部署便捷在應(yīng)急數(shù)據(jù)處理中發(fā)揮著基礎(chǔ)性作用．為滿足集裝箱數(shù)據(jù)中心對網(wǎng)絡(luò)帶寬和容錯性的需要，提出了一種基于3級Clos結(jié)構(gòu)的集裝箱數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，記為DPClos．DPClos能夠充分利用Clos結(jié)構(gòu)和雙端口服務(wù)器的特點，為集裝箱數(shù)據(jù)中心提供2倍網(wǎng)絡(luò)帶寬容量．DPClos網(wǎng)絡(luò)的平均路徑長度小于4，且不同層次鏈路之間負(fù)載均衡．雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)賦予DPClos良好的容錯性能，當(dāng)20%設(shè)備故障時數(shù)據(jù)流的成功到達率仍超過85%．理論分析和實驗表明，DPClos結(jié)構(gòu)能夠滿足集裝箱數(shù)據(jù)中心對網(wǎng)絡(luò)性能的需求．

集裝箱數(shù)據(jù)中心；數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)帶寬；容錯性

0 引 言

隨著云計算、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)面臨著諸多問題[1-6]．集裝箱數(shù)據(jù)中心因具有移動便捷、部署迅速和適應(yīng)性強等特點，在應(yīng)急通信、軍事勘探、災(zāi)難恢復(fù)和野外科考等領(lǐng)域發(fā)揮著基礎(chǔ)性作用，受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注[4,7-8]．

目前學(xué)界集中于對大規(guī)模數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的研究[1-3,5]，以滿足數(shù)據(jù)海量式增長的需求，而對集裝箱型數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)關(guān)注較少[4,7]．?dāng)?shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)可分為交換機為中心和服務(wù)器為中心兩種結(jié)構(gòu)．交換機為中心的結(jié)構(gòu)以Fat-tree[2]和Jellyfish[5]為代表，服務(wù)器為中心的網(wǎng)絡(luò)以DCell[3]和BCube[4]為代表．Li等[6]提出的FiConn結(jié)構(gòu)使用服務(wù)器的備用網(wǎng)卡，屬于以服務(wù)器為中心的網(wǎng)絡(luò)．上述網(wǎng)絡(luò)針對大規(guī)模數(shù)據(jù)中心設(shè)計，難以滿足集裝箱數(shù)據(jù)中心的需求．集裝箱數(shù)據(jù)中心存在著兩個特點：(1)帶寬要求高．作為應(yīng)急部署的基礎(chǔ)設(shè)施，集裝箱數(shù)據(jù)中心需要高容量的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以滿足服務(wù)器之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸需求．(2)部署環(huán)境差．集裝箱數(shù)據(jù)中心的部署環(huán)境可能導(dǎo)致設(shè)備的物理損傷和故障，而一體化設(shè)計的集裝箱數(shù)據(jù)中心在應(yīng)用中維護困難．集裝箱數(shù)據(jù)中心需要考慮網(wǎng)絡(luò)帶寬高和容錯性強的結(jié)構(gòu)，而現(xiàn)有設(shè)計不能滿足帶寬和容錯性的需求，為此本文提出集裝箱數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)DPClos，該網(wǎng)絡(luò)采用2層對折的3級Clos結(jié)構(gòu)[9]和雙端口服務(wù)器構(gòu)建以滿足集裝箱數(shù)據(jù)中心對網(wǎng)絡(luò)帶寬和容錯性的需求．

1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.1 Clos 結(jié)構(gòu)及特性

1.1.1 Clos結(jié)構(gòu) Clos結(jié)構(gòu)[9]源于電話網(wǎng)絡(luò)，其目的是以最少的交換開關(guān)提供無阻塞的電話通信．3級Clos是最常用的交換結(jié)構(gòu)，記為C(n1，r1，m，n2，r2)．其中，第1級為輸入級，由r1個n1×m交換開關(guān)組成；第2級為中間級，由m個r1×r2交換開關(guān)組成；第3級為輸出級，由r2個m×n2交換開關(guān)組成．輸入級和輸出級的每個交換開關(guān)有且僅有一條鏈路與中間級的每個交換開關(guān)相連．當(dāng)r1=r2=r且n1=n2=n時，該結(jié)構(gòu)是對稱的3級Clos結(jié)構(gòu)，簡記為C(n，m，r) ．其交換鏈接如圖1所示．

1.1.2 性質(zhì)特點 Clos結(jié)構(gòu)以交換容量大、擴展性好和可靠性高等特點廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中．在C(n，m，r)中，當(dāng)m≥2n-1時，該結(jié)構(gòu)是嚴(yán)格無阻塞的，即當(dāng)一個新的輸入級到輸出級的連接請求到達時，不需要對網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有連接進行任何改動，即可滿足該連接請求．當(dāng)m≥n時，C(n，m，r)是可重排無阻塞的，即當(dāng)一個新的輸入級到輸出級的連接請求到達時，可以通過對網(wǎng)絡(luò)中已有連接進行調(diào)整來滿足該連接請求．

圖1 C(n，m，r)交換結(jié)構(gòu)

Clos結(jié)構(gòu)的無阻塞特性使其成為數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的熱點，在其上所設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)有Fat-tree、PortLand、VL2和Elastictree等．這類網(wǎng)絡(luò)的共同特點是采用折疊的5級Clos結(jié)構(gòu)來提供可擴展的高性能數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)．

1.2 第1類DPClos網(wǎng)絡(luò)

DPClos通過部署雙層網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器備用端口來滿足集裝箱數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)帶寬和容錯性需求．用k來表示交換機的端口數(shù)量．圖2以k=4為例展示了第1類DPClos集裝箱數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，記為FDPClos．該結(jié)構(gòu)包括1層服務(wù)器和對稱的上下層交換機網(wǎng)絡(luò)，分別為上下核心層和上下邊界層．上下層交換機網(wǎng)絡(luò)均是由3級C(k/2，k/2，k/2)沿中間級對折形成．輸入級和輸出級處于等價位置，組成交換機網(wǎng)絡(luò)的邊界層；中間級構(gòu)成交換機網(wǎng)絡(luò)的核心層．在FDPClos中，上下邊界層交換機使用一半數(shù)量的端口連接到服務(wù)器．

在FDPClos中，每層交換機從1開始自左向右進行編號．分別用Cid和Eid表示核心層和邊界層交換機編號．每臺服務(wù)器按照所連接的上邊界交換機為分組從1開始自左向右進行編號，該組編號即為對應(yīng)的上邊界交換機的編號Eid．用Sid表示服務(wù)器編號．

FDPClos 上下兩層網(wǎng)絡(luò)分別采用10.0.0.0/8和20.0.0.0/8地址段．上層核心交換機的地址格式為10.4.1.Cid，其中Cid為核心交換機的編號．上層邊界交換機的地址格式為10.0.Eid.1，其中Eid為邊界交換機的編號．Eid對應(yīng)的服務(wù)器地址格式為10.0.Eid.s，其中s=Sid+1．下層網(wǎng)絡(luò)采用與上層類似的地址結(jié)構(gòu)，其地址段為20.0.0.0/8．例如，下層第1臺核心交換機地址為20.4.1.1，第1臺邊界交換機地址為20.0.1.1，該交換機所連接的Sid=1服務(wù)器地址為20.0.1.2．

圖2 第1類DPClos結(jié)構(gòu)(FDPClos)

1.3 第2類DPClos網(wǎng)絡(luò)

第2類DPClos采用與FDPClos相同的交換機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其交換機之間的連接和編號與FDPClos 一致．第2類DPClos結(jié)構(gòu)與FDPClos的不同之處在于服務(wù)器和下層邊界交換機采用錯位連接的方式，該結(jié)構(gòu)記為SDPClos．圖3以k=4為例展示了SDPClos網(wǎng)絡(luò)連接．在SDPClos中，Eid=i的下邊界交換機與服務(wù)器的連接方式為當(dāng)i≤k/2時，下邊界交換機i連接組1到組k/2中Sid=i的服務(wù)器；當(dāng)i>k/2時，下邊界交換機i連接組k/2+1到組k中Sid=i-k/2的服務(wù)器．SDPClos采用錯位連接的方式不但可以縮短平均路徑長度，而且能夠避免FDPClos中編號相同的邊界交換機同時故障時該組服務(wù)器被全部斷開的情況．

SDPClos中交換機采用與FDPClos相同的網(wǎng)絡(luò)地址配置，服務(wù)器在SDPClos上層網(wǎng)絡(luò)中的地址配置和FDPClos中對應(yīng)的配置相同．方便起見，圖3僅顯示了服務(wù)器在上層邊界交換機中的編號．用Eid代表下層邊界交換機的編號，則其對應(yīng)的服務(wù)器地址格式為20.0.Eid.s，其中s=Sid+1，Sid是服務(wù)器在相應(yīng)的交換機Eid中的編號．例如，交換機20.0.1.1所連接的兩臺服務(wù)器地址分別為20.0.1.2 和20.0.1.3．

圖3 第2類DPClos結(jié)構(gòu)(SDPClos)

在DPClos中，上下層交換機網(wǎng)絡(luò)均能獨立地保證任意兩臺服務(wù)器之間嚴(yán)格無阻塞通信．兩類DPClos都是以交換機為中心的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，服務(wù)器不參與數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)．在路由選擇上，同一臺邊界交換機互聯(lián)的服務(wù)器通過該邊界交換機進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；非共享邊界交換機的服務(wù)器之間可通過任意一臺核心層交換機進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)．在路由調(diào)度過程中，可以通過當(dāng)前端口的負(fù)載來選擇上下層網(wǎng)絡(luò)和所路由的核心交換機．

2 DPClos性質(zhì)

DPClos網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)特點包括設(shè)備數(shù)量、路徑長度、瓶頸度和對剖帶寬等．

2.1 設(shè)備數(shù)量

對于DPClos網(wǎng)絡(luò)中交換機和服務(wù)器的數(shù)量，有如下定理：

定理1 在DPClos網(wǎng)絡(luò)中，交換機的數(shù)量N=3k，服務(wù)器的數(shù)量S=k2/2，其中k為交換機的端口數(shù)．

證明 在C(n，m，r)中，交換開關(guān)的數(shù)量為n+m+r．因此，在交換機網(wǎng)絡(luò)C(k/2，k/2，k/2)中，交換機的數(shù)量為3k/2．DPClos使用獨立的兩層交換機網(wǎng)絡(luò)，所以DPClos中交換機總數(shù)N=3k．上層邊界交換機數(shù)量為k，且每個交換機連接k/2臺服務(wù)器．因此，DPClos中服務(wù)器數(shù)量S=k2/2．

□

表1列出了不同端口交換機構(gòu)成的DPClos網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的數(shù)量，其中N、S和L分別為交換機、服務(wù)器和連線數(shù)量．從表1中可以看出，當(dāng)k=48，56和64時分別可以構(gòu)造擁有S=1 152，1 568 和2 048臺服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)．這表明DPClos結(jié)構(gòu)具有滿足集裝箱數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的擴展性．對比其他結(jié)構(gòu)，DPClos中服務(wù)器/交換機數(shù)量為S∶N=k∶6；在Fat-tree中，該比例為k∶5；在文獻[10]中該比例為k∶10．

表1 DPClos網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備數(shù)量

2.2 路徑長度

對于DPClos中服務(wù)器之間的路徑長度，有如下定理：

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由定理2得出，DPClos網(wǎng)絡(luò)的平均路徑長度不大于4，且SDPClos網(wǎng)絡(luò)的平均路徑長度小于FDPClos網(wǎng)絡(luò)的．圖4顯示了DPClos網(wǎng)絡(luò)的平均路徑長度d隨交換機端口數(shù)量變化的關(guān)系．從中可以看出，隨著交換機端口數(shù)量的增長，DPClos網(wǎng)絡(luò)的平均路徑長度接近4．這表明，DPClos網(wǎng)絡(luò)滿足集裝箱數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)傳輸延遲小的需求．

2.3 瓶頸度

瓶頸度(bottleneck degree)是指網(wǎng)絡(luò)在all-to-all流量模式下，單個鏈路所負(fù)載的流量最大值．對于DPClos網(wǎng)絡(luò)的瓶頸度，有如下定理：

圖4 平均路徑長度

定理3 DPClos網(wǎng)絡(luò)的瓶頸度為(k2-2)/4．

證明 用S來表示網(wǎng)絡(luò)中服務(wù)器的數(shù)量，用SE和EC分別來表示服務(wù)器和邊界交換機之間、邊界交換機和核心交換機之間的鏈路．忽略下層網(wǎng)絡(luò)，僅分析上層網(wǎng)絡(luò)在all-to-all流量模式下的鏈路負(fù)載．在上層網(wǎng)絡(luò)中，服務(wù)器和邊界交換機之間鏈路SE的負(fù)載為S-1；第1臺上邊界交換機與核心交換機之間的總流量為(k/2)·(S-k/2)，其間鏈路數(shù)量為k/2．因此，每條鏈路EC負(fù)載的流量為S-k/2．在FDPClos中，下層網(wǎng)絡(luò)對流量具有均分作用，因此鏈路SE承載流數(shù)量為(S-1)/2；鏈路EC承載流數(shù)量為(S-k/2)/2．故此，F(xiàn)DPClos網(wǎng)絡(luò)的瓶頸度為(S-1)/2，其中S=k2/2．同理可以分析SDPClos的瓶頸度產(chǎn)生在鏈路SE上，為(k2-2)/4．

□

定理3表明，F(xiàn)DPClos和SDPClos具有相同的瓶頸度．圖5顯示了DPClos網(wǎng)絡(luò)在all-to-all流量模式下不同層次的鏈路上流數(shù)量分布Fd．從圖5可以看出，對于給定的交換機端口數(shù)k，DPClos 不同層次的鏈路在all-to-all流量模式負(fù)載近似均衡，不同鏈路負(fù)載差距很?。?/p>

圖5 All-to-all流量模式下鏈路的流數(shù)量分布

2.4 對剖帶寬

對剖帶寬(bisection width)是指將網(wǎng)絡(luò)均分成兩部分所需斷開鏈路的最小數(shù)量．對于DPClos網(wǎng)絡(luò)的對剖帶寬，有如下定理：

定理4 DPClos網(wǎng)絡(luò)的對剖帶寬為k2/2．

證明 折疊C(k/2，k/2，k/2)結(jié)構(gòu)的對剖帶寬為k2/4．DPClos網(wǎng)絡(luò)采用了獨立的上下層Clos結(jié)構(gòu)，其對剖帶寬為k2/2．

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DPClos是一種高帶寬的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)能夠提供2∶1的網(wǎng)絡(luò)帶寬需求，即在任意網(wǎng)絡(luò)連接下，兩臺服務(wù)器之間都可以擁有2條獨立的鏈路連接．這不僅提高了網(wǎng)絡(luò)的帶寬，滿足大數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)容量需求，而且提高了網(wǎng)絡(luò)的容錯性．相比之下，F(xiàn)at-tree提供了1∶1的網(wǎng)絡(luò)帶寬需求，文獻[10]提供了2∶1的網(wǎng)絡(luò)帶寬需求，而其他數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)均不能達到1∶1的網(wǎng)絡(luò)帶寬需求．

表2展示了不同數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)，其中n表示層次結(jié)構(gòu)中的層次數(shù)，k表示交換機端口數(shù)，S表示服務(wù)器數(shù)量．從表2可以看出，相比于其他數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，DPClos網(wǎng)絡(luò)具有更高的網(wǎng)絡(luò)帶寬，更小的網(wǎng)絡(luò)直徑和瓶頸度．除此之外，DPClos中的服務(wù)器之間還存在著大量的并行路徑．這些特點有利于提高基于DPClos結(jié)構(gòu)的集裝箱數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)性能和容錯性．

表2 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較

3 模擬實驗

對所提出的集裝箱數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)DPClos進行實驗，通過數(shù)值實驗觀察該結(jié)構(gòu)在容錯性、傳輸延遲和吞吐量方面的性能．

3.1 實驗設(shè)定

實驗采用k=48的DPClos結(jié)構(gòu)，該網(wǎng)絡(luò)由144臺交換機和1 152個服務(wù)器組成．采用文獻[11-12]中基于時間片的路由方法．?dāng)?shù)據(jù)流設(shè)定為單包流，即交換機和服務(wù)器的每個端口可以在一個時間片內(nèi)完成一個單位的數(shù)據(jù)流發(fā)送．交換機以存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式工作：當(dāng)接收到數(shù)據(jù)流時交換機將其存儲到等候隊列；每個時間片內(nèi)，交換機將隊首的數(shù)據(jù)流發(fā)送到下一跳的節(jié)點，而該隊列中其他數(shù)據(jù)流被延遲一個時間片．

容錯性：按照一定的故障率隨機設(shè)定鏈路和交換機故障，觀察數(shù)據(jù)流的到達情況．對每一個設(shè)備故障率，隨機生成10組，每組10 000個數(shù)據(jù)流，觀察數(shù)據(jù)流的到達率．該故障率的數(shù)據(jù)流到達率為10組數(shù)據(jù)流到達率的平均值．對于每個故障率，隨機選擇10組故障設(shè)備，最終結(jié)果為10組數(shù)據(jù)的平均值．

傳輸延遲：對于給定的數(shù)據(jù)流量，計算組內(nèi)數(shù)據(jù)流到達的平均時間作為該組數(shù)據(jù)流的傳輸延遲．統(tǒng)計各組數(shù)據(jù)流的傳輸延遲，取其平均值作為該組數(shù)據(jù)流的傳輸延遲．

吞吐量：吞吐量的計算方式為數(shù)據(jù)流量除以本組數(shù)據(jù)流中最大的數(shù)據(jù)傳輸時間．統(tǒng)計各組數(shù)據(jù)流中的吞吐量，取其平均值作為該組數(shù)據(jù)流的吞吐量．

在傳輸延遲和吞吐量上，考察兩種流量模式，即隨機模式和Incast模式．在隨機流量模式中，隨機選擇每個數(shù)據(jù)流的源服務(wù)器和目的服務(wù)器．在Incast流量模式中，每個目的服務(wù)器從其他10個源服務(wù)器中接收數(shù)據(jù)，源服務(wù)器和目的服務(wù)器隨機選擇．考察數(shù)據(jù)流數(shù)量從500增長到50 000時傳輸延遲和吞吐量的變化情況．對給定的數(shù)據(jù)流數(shù)量，隨機生成10組數(shù)據(jù)流進行測試．實驗結(jié)果為10組數(shù)據(jù)流的平均值．

3.2 容錯性

分別對FDPClos和SDPClos進行鏈路故障和交換機故障的容錯實驗，觀察故障率Ff從0增長到20%時數(shù)據(jù)流的到達情況．圖6顯示了在鏈路/交換機隨機故障下數(shù)據(jù)流的平均到達率R．

圖6表明，隨著設(shè)備故障率的增大，F(xiàn)DPClos和SDPClos中數(shù)據(jù)流的到達率逐漸降低．從圖中可以看出，F(xiàn)DPClos和SDPClos具有相近的鏈路故障容錯性．當(dāng)鏈路故障小于5%時，F(xiàn)DPClos和SDPClos中數(shù)據(jù)流的到達率均大于99%；當(dāng)鏈路故障率達到20%時，數(shù)據(jù)流的到達率大于87%．這說明，DPClos網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在鏈路故障率極高的情況下，仍保持較高的數(shù)據(jù)流到達率．文獻[13]顯示，當(dāng)20%鏈路故障發(fā)生時，S2、SWDC和Jellyfish的數(shù)據(jù)到達率分別為85%、70%和59%．

DPClos網(wǎng)絡(luò)也具備良好的交換機故障容錯性．從圖6中可以看出，當(dāng)交換機故障率小于5%時，數(shù)據(jù)流在FDPClos和SDPClos中的到達率均大于99%．當(dāng)交換機故障率達到20%時，數(shù)據(jù)流在FDPClos和SDPClos中的到達率分別為85%和87%．這表明，DPClos網(wǎng)絡(luò)在20%交換機故障率下仍然能夠滿足超過85%服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信．

圖6 數(shù)據(jù)流到達率和鏈路/交換機故障率關(guān)系

3.3 傳輸延遲

在隨機和Incast流量模式下觀察FDPClos和SDPClos中平均傳輸延遲D與數(shù)據(jù)流數(shù)量Nd的關(guān)系．圖7顯示了在這兩種流量模式下數(shù)據(jù)流的延遲情況．

圖7 隨機和Incast流量模式下DPClos網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流延遲

Fig.7 The delay of flows for random and Incast traffic in DPClos

在FDPClos和SDPClos中，數(shù)據(jù)流的平均路由路徑長度為3.96和3.92．從實驗結(jié)果可以看出，在兩種流量模式下數(shù)據(jù)流的延遲均隨著流數(shù)量增長而呈線性增加，且Incast流量模式下的平均延遲大于隨機流量模式．在同一種流量模式下，數(shù)據(jù)流在FDPClos中的延遲略大于其在SDPClos 中的延遲，這源于SDPClos具有更短的平均路由路徑．

3.4 吞吐量

在隨機和Incast流量模式下，觀察DPClos網(wǎng)絡(luò)的吞吐量T與數(shù)據(jù)流數(shù)量的關(guān)系．圖8顯示了FDPClos和SDPClos網(wǎng)絡(luò)的吞吐量與數(shù)據(jù)流數(shù)量之間的變化關(guān)系．

從圖8可以看出，DPClos網(wǎng)絡(luò)的吞吐量在這兩種流量模式下均隨著數(shù)據(jù)流數(shù)量的增長而增加．當(dāng)數(shù)據(jù)流數(shù)量較少時，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量隨著數(shù)據(jù)流數(shù)量近似呈線性增長；當(dāng)數(shù)據(jù)流數(shù)量較大時，網(wǎng)絡(luò)吞吐量增長速率有所降低，并趨于飽和．在同一種網(wǎng)絡(luò)流量模式下，F(xiàn)DPClos和SDPClos吞吐量相近．在兩種網(wǎng)絡(luò)中，隨機流量下的吞吐量均大于Incast 流量模式下的吞吐量．

圖8 隨機和Incast流量模式下DPClos網(wǎng)絡(luò)吞吐量

Fig.8 The throughput of DPClos for random and Incast traffic

3.5 實驗結(jié)論及分析

分析網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和實驗結(jié)果可知：在容錯性方面，F(xiàn)DPClos和SDPClos都具有較高的鏈路和交換機故障容錯性，這源于DPClos中的雙層交換機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所提供的大量并行路徑．

在延遲方面，SDPClos在兩種流量模式下的延遲均略小于FDPClos.SDPClos的優(yōu)勢來源于下層邊界交換機的錯位連接．這種連接使得網(wǎng)絡(luò)中更多服務(wù)器之間的路徑長度為2．

在吞吐量方面，兩種結(jié)構(gòu)在相同流量模式下的性能相近．隨機流量和Incast流量模式下網(wǎng)絡(luò)性能差異來源于這兩種流量模式的特性：Incast模式會導(dǎo)致路由路徑下游交換機產(chǎn)生擁塞，從而引起延時增加和吞吐量降低；隨機流量則不存在這種擁塞特性．

FDPClos和SDPClos采用相同的設(shè)備，具有相近的網(wǎng)絡(luò)性能，但SDPClos能夠提供更短的平均路由路徑長度．這兩種結(jié)構(gòu)都能滿足集裝箱數(shù)據(jù)中心對網(wǎng)絡(luò)性能和容錯性的需求．

4 結(jié) 語

本文研究了高帶寬高容錯性的集裝箱數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)．通過分析集裝箱數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用需求和現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的特點，提出了一種基于折疊的3級Clos的集裝箱數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，簡記為DPClos．理論分析表明，DPClos能夠滿足集裝箱數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)性能需求．實驗結(jié)果驗證了DPClos結(jié)構(gòu)在容錯性、傳輸延遲和吞吐量方面的性能．在今后的工作中，將進一步完善DPClos 網(wǎng)絡(luò)配置和路由調(diào)度，并致力于應(yīng)用部署．

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DPClos：Design of network architecture for container data center based on 3-stage Clos structure

LI De-shun, SHEN Yan-ming, LI Ke-qiu*

( School of Computer Science and Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China )

Owing to the convenience of deployment, container data center plays an essential role in emergency application of harsh environments. To satisfy the requirements of high network bandwidth and high fault tolerance, a novel container data center network based on the 3-stage Clos structure, DPClos is proposed. DPClos architecture takes advantage of Clos structure and the dual-port servers, which can provide double capacity of network bandwidth. The average path length is less than 4 and traffic load is balanced among links of different levels in DPClos. Bilayer structures benefit such fault tolerance of DPClos as follows: the flow success rate is more than 85% with a fraction of 20% equipments failure. Theoretical analyses and experimental results show that DPClos can meet the requirements of performance in container data center network.

container data center; data center network; network bandwidth; fault tolerance

2016-06-09；

2016-09-28．

國家杰出青年科學(xué)基金資助項目(61225010)；國家自然科學(xué)基金資助項目(61173160)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(DUT15TD29).

李德順(1983-),男,博士生,E-mail:lideshunlily@qq.com；申彥明(1976-),男,教授,博士生導(dǎo)師；李克秋*(1971-),男,教授,博士生導(dǎo)師,E-mail:keqiu@dlut.edu.cn.

1000-8608(2016)06-0643-07

TP393

A

10.7511/dllgxb201606013