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摘要：

本文通過介紹數(shù)據(jù)中心的相關(guān)概念，分析了三種數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，展示了基于這些網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的數(shù)據(jù)中心在數(shù)據(jù)吞吐和計算性能方面的優(yōu)劣。

關(guān)鍵詞：

云計算；數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)；胖樹結(jié)構(gòu)；混合型網(wǎng)絡(luò)

1引言

隨著基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)日益完備，大容量帶寬成為主流，虛擬化技術(shù)日新月異，基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)中心也呈現(xiàn)出了爆發(fā)式的增長。在數(shù)據(jù)中心設(shè)計的幾個要點中，網(wǎng)絡(luò)拓撲規(guī)劃一定程度上決定了數(shù)據(jù)中心初始建設(shè)成本，以及建成后數(shù)據(jù)中心的整體運行效率。早期的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)建設(shè)在滿足數(shù)據(jù)中心規(guī)模日益增大和聚合網(wǎng)絡(luò)帶寬方面比較欠缺，即使是一些超大規(guī)模的企業(yè)級數(shù)據(jù)中心，正常情況下也只能 實現(xiàn)50%的網(wǎng)絡(luò)帶寬聚合能力。這種傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在數(shù)據(jù)中心增長過程中呈現(xiàn)的不足之處，一定程度上也觸發(fā)了研究人員在不停的嘗試和開發(fā)新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以解決日益增長的云計算需求。

2數(shù)據(jù)中心的綜合介紹

數(shù)據(jù)中心可以理解為一個通過網(wǎng)絡(luò)連接各種應(yīng)用，對數(shù)據(jù)實現(xiàn)存儲和備份，并相互聚合形成的一個對外提供服務(wù)的計算資源池。數(shù)據(jù)中心中主要的信息和交互技術(shù)有下列幾點構(gòu)成：（a）服務(wù)器和（b）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心以服務(wù)器為節(jié)點，通過網(wǎng)絡(luò)分層將各個服務(wù)器連接，從而形成一個整體的服務(wù)體系。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的不斷擴大，所需連接的服務(wù)器也正在以幾何級數(shù)的規(guī)模在各個數(shù)據(jù)中心中不斷增加。例如，谷歌在2007年時數(shù)據(jù)中心已經(jīng)擁有了900,000個服務(wù)器節(jié)點了；微軟的數(shù)據(jù)中心也正在以每14個月翻一倍的速度對自己的服務(wù)器進行擴容。大規(guī)模服務(wù)器節(jié)點增加的同時，數(shù)據(jù)中心就會在容錯性、投入產(chǎn)出比、可以容納的最大節(jié)點數(shù)等方面面臨一些問題。另外一個數(shù)據(jù)中心的重要設(shè)計需求就是可以將現(xiàn)有的低成本設(shè)備融合到網(wǎng)絡(luò)中，作為一個資源整體提供云服務(wù)能力。可是現(xiàn)實中這種對于低成本設(shè)備的融合基本很少見到，大多數(shù)的數(shù)據(jù)中心依然都是通過較高投入，購買昂貴的企業(yè)級設(shè)備進行基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

3三種拓撲結(jié)構(gòu)的概念和部署方式

3.1  傳統(tǒng)DCN拓撲傳統(tǒng)DCN結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)中心是基于對于網(wǎng)絡(luò)進行分層而規(guī)劃出的，通過將網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為三層，高一層的架構(gòu)擁有更高的交換和路由能力，從而形成整體的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，。

3.2 Fat-tree DCN拓撲Fa t- t r e e  D C N是基于傳統(tǒng) D C N網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的一種修正結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)主要是針對存在超量請求和跨域間訪問量較大的數(shù)據(jù)中心設(shè)計的。這種類型的網(wǎng)絡(luò)拓撲也還是基于三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)構(gòu)建的，只是在交換層通過增加更多的交換機從而保證上下行網(wǎng)絡(luò)無收斂。

3.3 DCell拓撲D C el l 拓撲是以服務(wù)器節(jié)點為中心的混合型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。一個服務(wù)器會同時和若干個其他服務(wù)器直連。通過遞歸連接的方式，DCell將整個網(wǎng)絡(luò)由若干個Cell分層構(gòu)架而成。Cell是一個基本的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)達到一定規(guī)模之后，會作為一個新的C el l而成為更高一級網(wǎng)絡(luò)的一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在對服務(wù)器有大規(guī)模需求的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中可以將網(wǎng)絡(luò)容量擴展到極致。一個有6臺服務(wù)器構(gòu)成基本Cell的4層DCell網(wǎng)絡(luò)，原則上可以容納3,60 0,0 0 0臺服務(wù)器。除了極為強大的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器容量外，DCell網(wǎng)絡(luò)也具有極高的穩(wěn)健性。不過可以很明顯看出來，域間訪問和網(wǎng)絡(luò)延時在這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中會成為一個比較明顯的缺點。

4網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是大型數(shù)據(jù)中心的最重要的組成部分，一定程度上決定了數(shù)據(jù)中心的計算性能和數(shù)據(jù)吞吐量。大量的模擬測試和驗證分析表明70%的網(wǎng)絡(luò)流量通常發(fā)生在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，而不是數(shù)據(jù)中心和用戶之間。傳統(tǒng)的兩層或者三層DCN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在構(gòu)建大型數(shù)據(jù)中心時需要的成本相對偏高。根據(jù)上文中提到的這三種技術(shù)，我們可以把數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為三種類型：一是以交換機為中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；二是通過服務(wù)器和交換機進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的混合型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；三是以服務(wù)器為中心的的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。以交換為中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)交換機承擔(dān)了所有的路由和交換功能，典型的代表就是傳統(tǒng)DCN和Fat-t ree  DCN結(jié)構(gòu)。而混合型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)通過服務(wù)器和交換機來進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。以服務(wù)器為中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)則完全沒有依賴于交換機，只是通過服務(wù)器進行數(shù)據(jù)的處里和轉(zhuǎn)發(fā)。目前在工業(yè)界應(yīng)用最廣泛的，以傳統(tǒng)的交換為中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，三層架構(gòu)是主要的技術(shù)方案，交換機被放置于接入層、匯聚層、核心層。資源池中的服務(wù)器通過這三層交換機互聯(lián)，進行數(shù)據(jù)的輸入和輸出。核心層構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，每一個匯聚層的交換機都樹形分布于和核心層的下一層。所以核心層和匯聚層的交換機性能要求相對較高，通常采用高性能的企業(yè)級交換機。通過一個實驗環(huán)境對這三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行模擬之后，結(jié)果表明以Fat-tree型的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的數(shù)據(jù)中心計算性能是獨立于網(wǎng)絡(luò)大小的，也就是說數(shù)據(jù)中心的性能相對穩(wěn)定。不過Fat-tree網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相對來講更加昂貴。DCell結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)中心性能則取決于網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。規(guī)模越大的數(shù)據(jù)中心，相對來講，D C e l l 結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)更適合。而傳統(tǒng)的三層架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)則取決于網(wǎng)絡(luò)拓撲和用戶請求數(shù)。在拓撲并不復(fù)雜，用戶數(shù)相對較少的情況下，這種架構(gòu)是代價最小，維護成本最低的一種選擇。

5結(jié)束語

通過對數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的介紹和實驗分析，我們可以得出這樣的結(jié)論：如果是對超大型數(shù)據(jù)中心有需求，而域間訪問不是主要的特點時，采用D C e l l架構(gòu)可以明顯提高數(shù)據(jù)中心的整體容量；如果數(shù)據(jù)中心對服務(wù)器規(guī)模沒有強烈的需求，建設(shè)資金充沛，而更加在意網(wǎng)絡(luò)性能的前提下，采用Fat-t r e e架構(gòu)比較合理；如果在建設(shè)規(guī)模和投入資金方面需要折中，而整體訪問量相對較小的情況下，傳統(tǒng)的DCN架構(gòu)會比較合適。

作者：趙哲 胡瑩瑩 單位：國家無線電監(jiān)測中心