数据中心的一种无损持续可扩展互联结构制造技术

本发明专利技术公开了一种用于数据中心的常量度数互联结构，为大量具备两个网络适配器端口的普通服务器和低端交换机提供具有无损和持续可扩展能力的互联结构、简单易行的单播单径路由方法、以及并行高效的单播多径路由方法。本发明专利技术是先根据数据中心的规模、交换机的端口数目、以及数据中心的层数等需求，完成各个服务器以及交换机的互联，形成无损持续可扩展的互联结构；根据数据传输需求，识别目的服务器地址，通过单播单径路由方法产生完整的路径，进而将数据传输到目的服务器；根据数据传输需求，识别目的服务器地址，通过单播多径路由方法产生多条平行路径，进而将数据沿多径并行传输到目的服务器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于数据中心和云计算领域，涉及数据中心的一种无损持续可扩展互联结构及配套路由方法，使数据中心在不改变各个服务器配置的前提下满足持续可扩展性、无损可扩展性、高容错性、以及高性价比等设计目标。
技术介绍
数据中心(data center)指用于集中安置计算机系统以及相关部件(服务器，交换机等)的设施，并包含备用电源，电流传输设备，环境控制(如空调、灭火器等)和安全设备。随着云计算、物联网等新型应用形态层出不穷，数据中心作为重要的支撑力量，逐步成为目前学术界和工业界关注的焦点。科学家们已经意识到，科学技术的进一步发展不是缺少数据，而是缺少存储数据和分析数据的有效方法。目前一些国际知名网络服务企业如美国谷歌、微软、亚马逊、中国腾迅、阿里巴巴等公司都陆续建立了大型数据中心用于存储大规模数据，并利用分布式存储和处理的强大功能，将数据及时高效的传输到全球各个用户。 例如，谷歌公司拥有的30多个数据中心截止2006年已经有近450，000台服务器。在每个数据中心内部，大量服务器和网络设备通过特定的互联结构实现互联。与此同时，许多应用服务，如谷歌搜索等对服务器间数据交换带宽的要求越来越高。而数据中心的现有互联结构是依靠交换机、核心交换机、核心路由器将服务器连接起来构成的如图1所示的树型结构。树型结构的高层核心交换机、核心路由器往往构成数据中心的流量瓶颈，而且其容错性也不理想，容易出现单点故障。随着数据中心规模的急剧扩大，这种树型互联结构越来越难以确保数据中心所追求的渐进可扩展、高容错能力、高聚集带宽等系统指标。为了能更好地实现数据中心所追求的设计指标，越来越多的新型互联结构在近几年被提了出来。这些互联结构大致被分为两类。第一类是以交换机为中心，其将众多交换机互联为不同于树型结构的其它互联结构，而每台服务器仅仅同一个交换机互联，其中的互联规则和路由规则全部由交换机来完成。例如!^at-Tree和VL2。第二类是以服务器为中心的互联结构，各交换机之间并不直接互联，而服务器之间以及服务器和交换机之间依据特定互联结构连接，其中互联规则和路由规则主要由服务器完成，例如DCell， FiConn 禾口 BCube0DCell利用低端交换机以及具有多个网络适配器端口的大量服务器通过迭代方式构造的层次式互联结构，每个高层DCell通过一定数量的下层DCell之间的进一步互联来构建，多个同层DCell之间彼此全连通。第零层的DCell是基本构建模块，由一个η个端口的低端交换机及与其直接互联的η个服务器组成。图2给出了一个两层DCell的互联结构。Dcell使用通用超级立方体(Generalized hypercube)互联规则来连接大量服务器和低端交换机，进而为数据中心构造出一种层次式互联结构。具有多个网络适配器端口的服务器连接到多个层次的低端交换机，任何两个服务器之间没有直接连接。图3给出了一个两层的BCube互联结构。以服务器为中心的互联结构具有以下优点首先，服务器的可编程能力要比交换机强，因而各类新型互联结构的实现和部署更加灵活；其次，商用服务器出厂时即可配备多个网络适配器端口 NIC (Network Interface Card)，通过这些网络适配器端口实现服务器之间的直接互联能够提高服务器间端到端的吞吐量以及数据中心的抗单点失效能力；最后，以服务器为中心的互联结构只需采用低端交换机即可，无需同以交换机为中心的互联结构一样使用大量昂贵的高端交换设备，因此大大降低了数据中心的硬件成本。尽管目前提出的以服务器为中心的解决方案具备上述优点，但是存在如下两个方面的问题。(1)依托于数据中心的各类应用如何才能不因数据中心的规模扩展而受影响？这呼吁一种具有无损扩展能力的数据中心互联结构，在其规模扩展的过程中不对现有的结构产生任何调整，或者尽量少的调整，包括现有的每台服务器、交换机、以及每条布线。DCell 和BCube这两种互联结构每扩展一层会导致每台服务器额外增加一个网络适配器端口，并且要在所有服务器上增加新的物理连线，各类应用因此而受影响。尽管每台服务器额外增加一个网络适配器端口的硬件成本并不很高，但是要为几万甚至几十万台服务器逐一新增一个网络适配器端口和一条物理连线所耗费的人力和时间成本非常昂贵。此外，这项工作的操作非常复杂，极易出现不易排除的物理布线错误。综合考虑，应该为数据中心的服务器配备固定数目的网络适配器端口，避免在投入使用之后因数据中心规模扩展而不断扩充网络适配器端口造成的诸多不良后果。从进一步降低硬件和配线的成本的角度考虑，最好为每个服务器配备两个网络适配器端口。(2)为了实现数据中心互联结构的无损可扩展性，每台服务器配备固定数目的网络适配器端口，此时数据中心的规模能否持续增长并从根源上保证数据中心的可扩展性？ DCell和BCube的构造规则决定了对应数据中心的最大规模已被其服务器的网络适配器端口数目所限定，从而不具备持续可扩展能力。事实上，DCell和BCube的规模之所以能持续快速增加的根源正在于其为每台服务器不断追加新的网络适配器端口和物理连线。如果 DCell和BCube的每个服务器仅仅配备两个网络适配器端口，则其数据中心的规模非常有限从而无法满足十万级甚至百万级服务器规模的应用需求。不难发现，对于Dcell和BCube等现有的以服务器为中心的互联结构而言，其无损可扩展性和持续可扩展性是一对矛盾的设计指标，无法同时实现。即，为了确保无损可扩展性要求每台服务器配备固定数目的网络适配器端口，如此则无法确保其持续可扩展性；为了确保持续可扩展性要求每台服务器不断追加新的网络适配器端口，如此则无法确保其无损可扩展性。
技术实现思路
鉴于上述分析，本专利技术为数据中心提出一种常量度数互联结构DCube，其将配备两个网络适配器端口的服务器和低端交换机高效互联，在不改变各个服务器配置的前提下确保数据中心具备持续可扩展能力、无损可扩展能力、高容错能力、以及高性价比等设计目标。本专利技术首先采用非正则混合图的方法来确保数据中心的无损和持续可扩展性。在设计数据中心的常量度数互联结构的过程中，逐一提出其互联结构的构造方法、简单易行的单播单径数据传输方法、以及并行高效的单播多径数据传输方法。尽管本专利技术只关注服务器配备两个网络适配器接口时的互联结构及其配套路由方法，但是相关方法经过简单调整后适用于服务器配备更多固定数目网络适配器接口的场景。本专利技术是按照如下技术方案实现的一种数据中心的无损持续可扩展互联网络，该互联结构基于非正则混合图构建而得，其中所述互联结构由至少一个基本单元构成，所述的一个基本单元包括η台服务器和一个具有η个接口的交换机，所述的每一台服务器均配备有两个网络适配器端口，其中第一个网络适配器端口连接到所述的交换机，第二个网络适配器端口预留用来支持扩展互联。上述的无损持续可扩展互联网络，其中所述的互联结构由一组所述的基本单元依据全连通规则构造成为一个一层的互联结构，一组所述的一层互联结构可以进一步根据全连通规则构造成为一个二层的互联结构。依此类推，上述的无损持续可扩展互联网络可以进一步扩展为h层，具体层数h的取值决定于数据中心容纳的服务器数目N以及交换机的端口数目η。一种无损持续可扩展数据中心的互联网络构建方法，其中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种数据中心的无损持续可扩展互联网络，该无损持续可扩展基于网络的非正则混合图互联结构，其特征在于所述互联结构由至少一个基本单元构成，所述的一个基本单元包括η台服务器和一个具有η个接口的交换机，所述服务器的每一个均配备有两个网络适配器，其中第一网络适配器连接到交换机，第二网络适配器接口预留用来支持扩展互联。2.如权利要求1所述的无损持续可扩展互联网络，其特征在于其中所述的互联结构由一组所述的基本单元依据全连通规则构造成为一个一层的互联结构，进而由一组所述的一层互联结构根据全连通规则构造成为一个二层的互联结构。3.如权利要求2所述的无损持续可扩展互联网络，其特征在于由所述多个基本单元构成的互联结构可以进一步扩展为h层，每个服务器可配置多于两个网络适配器。4.如权利要求1所述的无损持续可扩展互联网络，其特征在于所述η为4，由4个基本单元构成一组，每个基本单元中的3个服务器的第二网络适配器接口分别与周围的3个单元中的一个服务器的第二网络适配器接口相连接，进而形成一个一层的互联结构，由4 个所述的一层互联结构再互联到一起所构成。5.如权利要求4所述的无损持续可扩展互联网络，其特征在于由所述多个基本单元构成的多个组组成的层可以进一步扩展为h层，每个服务器可配置多于两个网络适配器。6.一种数据中心的无损持续可扩展互联网络的网络构建方法，该无损持续可扩展基于网络的非正则混合图互联结构，其特征在于按照下述步骤构造可扩展互联结构(1. 1)获取用户关于数据中心规模N、各个交换机的端口数目η、以及数据中心的层数h等基本配置请求，并按照后续过程构造无损持续可扩展互联结构DCube (n，h)；其中η 代表每台交换机的端口数目或者每台交换机连接的服务器数目，而h代表DCube的层数， DCube (η, 0)代表最小构成模块，即一台交换机及其直接连接的η个服务器；(1. 2)为每台服务器赋予一个长度为h+Ι的标识符XhXlri. . . X1Xtl，其中1彡Xi彡η而 0彡i彡h ；(1. 3)为每台交换机赋予一个标识符XhXlri. . . X1，其中1彡Xi彡η而1彡i彡h ；(1. 4)将标识符具有长度为h的公共前缀的η个服务器采用其第一块网络适配器同标识符为其公共前缀的交换机直接互联，形成一系列最小构成模块DCube (η, 0)；(1. 5)在标识符为src = XhXlri. . . 和彻= ..++*-,^的两台服务器之间通过其第二块网络适配器直接互联，仅当存在某个KjSa使得节点src的标识符满足\ Φ Xjm 且^Cp1 = Xj_2 = ... = X1 = Xtl，其中χ/表示j个连续的\ ；至此构成无损持续可扩展互联结构 DCube (η，h)。7.一种基于权利要求1-5所述的数据中心的无损持续可扩展互联结构的单播单径路由的路径建立方法(2. 1)接收用户的数据传输请求，判断数据传输的源服务器和目的服务器的标识符 src 禾口 dst ；(2. 2)判断src和dst是否处于同一个最小的构造模块内，如果属实，则判定二者可以通过共同连接的交换机完成数据报文转发工作；否则，确定用于连接src和dst所在的两个不同DCube (n，h-l)之间的唯一连接...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭得科，罗雪山，陈洪辉，刘俊先，舒振，黄光奇，罗爱民，黃力，陈涛，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
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