可扩展的数据中心网络结构研究

摘要

数据中心集中了数据处理的软硬件资源，承担着海量数据的处理和存储业务，并为用户按需提供动态、高效、可靠和廉价的信息服务。数据中心网络通过高速链路和交换设备连接着大量服务器，其结构决定着数据处理和存储的具体形式，并直接影响数据中心对用户的服务水平。本文针对可扩展的数据中心网络结构进行研究，并根据不同的应用需求和设备特征设计新型的数据中心网络架构。在国内外研究现状的基础上，针对不同规模数据中心的性能需求，本文深入研究了可扩展的数据中心网络结构设计的三个相关问题:大规模数据中心网络结构，自由规模数据中心网络结构和集装箱数据中心网络结构。其主要研究内容如下:
　　1，为解决大规模数据中心网络结构固化的问题，本文提出基于多端口服务器直接互联的FleCube网络。该网络递归定义在多端口服务器的端口分组上，同层网络之间采用完全互联的方式组建更高一层的网络。根据FleCube网络的结构特点，本文在其上设计了分治路由和多路径路由。该网络具有良好的设计灵活性和规模扩展性，能够满足海量服务器对高网络性能的需求。
　　2，针对基于单端口服务器和双端口服务器的数据中心网络设计，分别提出ComCell网络和DPCell网络。ComCell网络兼顾了结构的对称性和设计的灵活性，本文在其上设计了分治路由和容错路由算法。DPCell网络能够以较小的网络直径同时取得较大的扩展性和对剖带宽。这两种结构均能根据网络设备的特点，构造高性能的大规模数据中心网络。
　　3，为提高灵活结构数据中心网络的性能，本文提出了基于贪心策略的LengthShuffle连接，并使用该连接构建数据中心网络。在Length Shuffle连接中，每次连接当前网络中最远的一对具有空闲端口的机架交换机来构建网络。该连接方式可以有效地减少网络中较长路径的数量，从而缩短网络的平均路由路径长度。部署Length Shuffle连接替代灵活结构数据中心网络中的随机连接能够有效地缩短网络的数据传输延迟，提高网络吞吐量。
　　4，为满足集装箱数据中心网络对高带宽和高容错性的需求，本文提出基于双层折叠3级Clos结构的DPClos网络。DPClos充分利用折叠Clos结构和双端口服务器的特点，为集装箱数据中心提供双倍网络容量，较短的路由路径和良好的容错性能。该类网络结构具有较短的数据传输延迟和较大的网络吞吐量，能够满足集装箱数据中心网络的性能需求。

目录

声明

摘要

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 数据中心的发展

1．1．2 传统数据中心网络

1．1．3 云计算数据中心网络

1．1．4 数据中心网络结构的研究意义

1．2 国内外相关研究

1．2．2 数据中心网络的分类

1．2．3 以交换机为中心的数据中心网络架构

1．2．4 以服务器为中心的数据中心网络架构

1．2．5 数据中心网络架构的评价指标

1．3 本文研究内容及组织结构

1．3．1 本文研究内容

1．3．2 本文组织结构

2 基于多端口服务器直接互联的大规模数据中心网络设计

2．1 引言

2．2 FleCube数据中心网络

2．2．1 FleCube网络结构

2．2．2 分治路由路径

2．2．3 FleCube结构性质

2．3 多路径路由

2．3．1 初级多路径路由

2．3．2 多路径路由

2．4 FleCube与其他结构的比较

2．5 FleCube评估

2．5．1 分治路由模拟

2．5．2 多路径路由模拟

2．6 本章小结

3 基于单端口和双端口服务器的大规模数据中心网络设计

3．1 引言

3．2 ComCell数据中心网络

3．2．1 ComCell网络结构

3．2．2 ComCell路由

3．2．3 ComCell结构性质

3．2．4 ComCell评估

3．3 DPCell数据中心网络

3．3．1 相关工作

3．3．2 DPCell网络结构

3．3．3 DPCell与其他结构的对比

3．3．4 DPCell评估

3．4 本章小结

4 基于贪心互联策略的自由规模数据中心网络设计

4．1 引言

4．2 Length Shuffle连接

4．3 Length Shuffle连接在数据中心网络中的部署

4．3．1 随机连接和Length Shuffle连接

4．3．2 规则连接和Length Shuffle连接

4．3．3 路由策略

4．3．4 增量式部署

4．4 Length Shuffle连接属性分析

4．5 评估

4．6 本章小结

5 基于3级Clos结构的集装箱数据中心网络设计

5．1 引言

5．2 DPClos网络结构

5．2．1 Clos结构

5．2．2 第1类DPClos网络

5．2．3 第2类DPClos网络

5．3 DPClos性质

5．4 模拟实验

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介