基于胖树的交换机节能技术研究

摘要

随着云计算的飞速发展，数据中心规模的日渐扩大，随之带来的能耗问题已经引起了学术界与企业界的广泛关注。交换机作为数据中心的重要组成部分，承担着业务转发的任务。在数据中心中，很多交换机在大部分时间都处于空闲状态，这造成资源利用率低下，能耗巨大。如何优化网络的资源配置，提高数据中心资源利用率，进而降低能耗成为研究的热门问题。
　　本文中数据中心拓扑结构采用胖树(fat-tree)拓扑结构，交换机采用基于输入缓存的Crossbar结构。主要研究了交换机的能耗组成、节能算法、fat-tree中的路径选择以及交换机内部的多播调度算法。本文的主要工作如下：
　　通过分析交换机各部分的能耗，给出了端口-线卡-交换机的三层能耗模型，并对各部分的能耗进行量化处理。在三层能耗模型的基础上，提出了一种基于端口-线卡-交换机的节能算法。该算法包含端口动态开关的路由机制，基于虚拟交换队列(VSQ)的队列组织结构与基于负载感知的交换机组件开关机制。该算法根据网络中的拥塞情况，通过开关交换机、线卡和端口达到节能的目的。交换机内部使用经典的FIFOMS算法作为调度算法。在不同流量模型测试下，节能效果良好。
　　对交换机输入端口的队列组织结构进行了改进，并将该结构用于一种低扇出分割多播调度算法。该算法将单播与多播信元做相同的处理，在随机流量模型与固定流量模型下进行测试，算法性能良好。
　　提出了一种交换机分组动态开关的节能算法。在pod基础上，对胖树中不同层次的交换机重新进行分组。选路时采用随机路由的机制，交换机内部采用低扇出分割多播调度算法。该算法通过开关交换机达到节能效果。汇聚层交换机采取组间同步的开关方法，核心层的交换机独立开关，这样做可以在保证性能的同时开启较少的交换机。在不同流量模型测试下，节能效果良好。

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缩略语对照表

第一章 绪论

1.2 数据中心节能技术综述

1.3 多播交换综述

1.4 论文组织结构

第二章 数据中心设备节能的理论基础

2.1 数据中心拓扑结构

2.2 数据中心能耗分析

2.3 调度与路由算法对数据中心能耗影响的分析

2.4 本章小结

第三章 基于端口-线卡-交换机的节能算法研究

3.2 端口-线卡-交换机节能模型描述

3.3 基于端口动态开关的路由机制

3.4 交换机的虚拟交换队列

3.5 基于负载感知的交换机组件开关机制

3.6 仿真结果与性能分析

3.7 本章小结

第四章 多播调度算法与交换机节能的研究

4.1 EMLSF算法

4.2 SDSG节能算法

4.3 EMLSF调度算法仿真结果与分析

4.4 SDSG节能算法仿真结果与分析

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.2 未来工作展望

参考文献

致谢

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