数据中心拓扑总结

数据中心拓扑总结目录1.1数据中心网络特性需求....................................................................................................11.2现有数据中心网络拓扑....................................................................................................2传统树形结构...................................................................................................................2Fat-Tree拓扑结构...........................................................................................................3VL2拓扑结构..................................................................................................................4DCell拓扑结构...............................................................................................................6BCube拓扑结构...............................................................................................................8MDCube............................................................................................................................9FiConn拓扑结构............................................................................................................12HCN拓扑结构...............................................................................................................13BCN拓扑结构...............................................................................................................15雪花结构.........................................................................................................................17Scafida.............................................................................................................................19基于Kautz图的数据中心拓扑.....................................................................................20参考文献...................................................................................................................................I数据中心拓扑总结1数据中心拓扑总结1.1数据中心网络特性需求随着网络技术的发展，数据中心已经成为提供IT网络服务、分布式并行计算等的基础架构，为加速现代社会信息化建设、加快社会进步，发挥举足轻重的作用。数据中心是当代IT建设的重点项目，承载着企业的核心业务，致力为企业提供高效的服务，降低企业管理难度及运营开销。数据中心应用范围愈加广泛，应用需求不断增加，业务数据量达T/P级以上；另外，如视频、金融业务数据等对服务质量、时延、带宽都有严格要求，因此构建数据中心网络时，对于数据中心网络的性能要求很高，具体如下：⑴高度可扩展性：随着数据中心业务的拓展，数据中心的规模不断扩大，因此要求数据中心网络能够容纳更多的服务器及交换机设备，以保证业务需求。设备的添加不会对现有网络服务性能造成很大的影响，实现性能平稳扩展，不会引入过载等问题；⑵多路径特性：由于数据中心规模巨大，链路、节点及部分网络出现故障是难以避免的。另外，当源、目的节点对之间突发业务量较大时，单条链路难以保证带宽传输需求。因此对于网络拓扑提出的要求即是保证不同节点之间有多条并行的路径，使得：①在一定的网络故障率范围内，网络服务质量能够得到保障，网络具有很好的容错性能，实现网络的高可靠性，保证服务质量；②并行路径能够提供充裕带宽，当有过量突发业务需要传输服务时，网络能动态实现分流，满足数据传输需求；⑶低时延特性：数据中心在科研机构、金融等部门发挥着无可取代的重要作用，为用户提供视频、在线商务、高性能计算等服务，不少业务对网络时延比较敏感，对网络实时性要求非常严格。因此设计网络拓扑时，需充分考虑网络的低时延特性要求，实现数据的高速率传输；⑷高带宽传输：数据中心应用业务如数据发掘、科学计算及业务迁移等，数据传输量巨大，达到T（1012B）或P（1015B）级，有时甚至达Z（1021B）级，因此需要网络拓扑具有很高的对分带宽，满足业务的高吞吐传输需求；⑸网络互连开销低：数据中心网络规模庞大，构建相当规模的数据中心，耗费巨资。因此为降低构建数据中心网络的成本，需从以下几个方面着手：①使用价格低廉的低端商用交换设备取代高端专用设备实现网络互联；②网络规模的扩展不是以新设备代替旧设备；③网络拓扑规整化，降低布线的复杂度，且易于管理、自动数据中心拓扑总结2化配置及优化升级。另外，在保证网络性能的前提下，应尽可能地简化网络布线；⑹模块化设计：充分利用模块化设计的优点，实施设备模块化添加、维护、替换等，降低网络布局和扩展的复杂度。另外，充分考虑业务流量特点及服务要求，保证通信频繁的设备处在同一模块内，降低模块之间的通信量，便于优化网络性能，实现流量均衡等；⑺网络扁平化：随着网络技术的发展，计算、存储与传统以太网融合实现数据中心以太网已是数据中心发展趋势，对于简化网络管理及优化性能都具有明显优势。随着融合网络的发展，网络扁平化已经提上日程，要求构建网络的层数要尽可能低，以利于网络流量均衡，避免过载，方便管理等；⑻绿色节能：因数据中心运营能耗开销甚大，而散热能耗占数据中心总能耗的比重已超过50%。合理的布局有利于数据中心散热，实现降低能耗开销、保护网络设备的目的。因此设计网络拓扑架构时也要充分考虑网络布局问题，实现绿色节能的目标；1.2现有数据中心网络拓扑现阶段研究人员基于不同规则提出不少用于构建数据中心网络的拓扑结构，致力于满足上述网络拓扑的特性要求。依据网络中负责转发数据的设备不同，可以将拓扑为switch-only拓扑、server-only拓扑及混合型拓扑。下面主要从网络拓扑的构建原则、扩展方式、扩展能力、网络性能参数及网络拓扑的优缺点等方面介绍各拓扑。传统树形结构传统树形结构（如图1所示）是较早用于构建数据中心的网络拓扑，该拓扑是一种多根树形结构，属于switch-only型拓扑，底层采用商用交换设备与服务器相连，高层则是采用高性能、高容量、高速率交换设备。传统树形结构结构简单，易于实现，但存在一系列缺点：①传统树形结构采用垂直扩展（scale-up）方式实现扩展，通过添加更高的层数及设备实现扩展，其拓展规模受限于高层互连设备的端口数目，扩展能力有限。对于二层的树形结构，一般最多能够容纳5000-8000个服务器，三层最多容纳数万个节点，因此传统树形结构难以满足现代数据中心高可扩展性要求；②网络容错性能较差，当网络节点或链路出现故障时，很容易导致网络分离为相互独立的子网，致使网络瘫痪，性能恶化；③流量分布不均匀，流量容易在核心根节点处汇集，致使核心节点容易成为网络性能的瓶颈。另外，网络存在严数据中心拓扑总结3重的过载问题，底层数据传输难以充分利用边缘层及聚合层网络带宽，为提高网络性能，解决过载问题，高层采用高性能、高容量的交换设备，但这种方案只能在一定程度上缓解过载及热点问题，难以从根本上解决；④通过采购高端口密度、高性能交换设备构建数据中心，导致设备开销巨大，不利于构建大规模的数据中心；图1树形结构图2k=4Fat-Tree拓扑结构Fat-Tree拓扑结构Fat-Tree拓扑结构[1]是由MIT的Al-Fares等人在改进传统树形结构性能的基础上提出的，属于switch-only型拓扑。整个拓扑网络分为三个层次（如图2所示）：自下而上分别为边缘层（Edge）、汇聚层（Aggregate）及核心层（Core），其中汇聚层交换机与边缘层交换数据中心拓扑总结4机构成一个Pod，交换设备均是采用商用交换设备。Fat-Tree构建拓扑规则如下：Fat-Tree拓扑中包含的Pod数目为k，每一Pod连接的server数目为(k/2)2，每一Pod内的边缘交换机及聚合交换机数量均为k/2，核心交换机的数量为(k/2)2，网络中每一交换机的端口数目为k，网络所能支持的服务器总数为k3/4。Fat-Tree结构采用水平扩展（scale-up）的方式，当拓扑中包含的Pod数目增加，交换机的端口数目增加时，Fat-Tree拓扑能够支持更多的服务器，满足数据中心的扩展需求，如k=48时，Fat-Tree能够支持的服务器数目为27648；Fat-Tree结构通过在核心层多条链路实现负载的及时处理，避免网络热点；通过在pod内合理分流，避免过载问题。表1Fat-Tree拓扑性能参数表网络直径对分带宽并行链路扩展能力22logNN/2（k/2）2k3/4Fat-Tree拓扑结构网络性能参数如表1所示（对于Pod数目为k的拓扑，服务器数量为N）：Fat-Tree对分带宽随着网络规模的扩展而增大，因此能够为数据中心提供高吞吐传输服务；不同Pod之间的服务器间通信，源、目的节点对之间具有多条并行路径，因此网络的容错性能良好，一般不会出现单点故障；采用商用设备取代高性能交换设备，大幅度降低网络设备开销；网络直径小，能够保证视频、在线会与等服务对网络实时性的要求；拓扑结构规则、对称，利于网络布线及自动化配置、优化升级等。Fat-Tree结构也存在一定的缺陷：Fat-Tree结构的扩展规模在理论上受限于核心交换机的端口数目，不利于数据中心的长期发展要求；对于Pod内部，Fat-Tree容错性能差，对底层交换设备故障非常敏感，当底层交换设备故障时，难以保证服务质量；拓扑结构的特点决定了网络不能很好的支持one-to-all及all-to-all网络通信模式，不利于部署MapReduce、Dryad等现代高性能应用；网络中交换机与服务器的比值较大，在一定程度上使得网络设备成本依然很高，不利于企业的经济发展。VL2拓扑结构VL2拓扑[2]是微软研究人员提出的数据中心网络结构，属于switch-only型拓扑。VL2是Clo