趙 哲，胡瑩瑩

（國家無線電監(jiān)測中心，北京 100037）

Radio Wave Guard

如何在三種典型的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡拓撲架構中進行取舍

趙 哲，胡瑩瑩

（國家無線電監(jiān)測中心，北京 100037）

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

云計算；數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡；胖樹結構；混合型網(wǎng)絡

1 引言

隨著基礎網(wǎng)絡建設日益完備，大容量帶寬成為主流，虛擬化技術日新月異，基于網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)中心也呈現(xiàn)出了爆發(fā)式的增長。在數(shù)據(jù)中心設計的幾個要點中，網(wǎng)絡拓撲規(guī)劃一定程度上決定了數(shù)據(jù)中心初始建設成本，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)絡建設在滿足數(shù)據(jù)中心規(guī)模日益增大和聚合網(wǎng)絡帶寬方面比較欠缺，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)絡帶寬聚合能力。這種傳統(tǒng)網(wǎng)絡架構在數(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)絡結構，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)絡連接各種應用，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的計算資源池。數(shù)據(jù)中心中主要的信息和交互技術有下列幾點構成：（a）服務器和（b）網(wǎng)絡架構。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心以服務器為節(jié)點，通過網(wǎng)絡分層將各個服務器連接，從而形成一個整體的服務體系。隨著信息技術的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的不斷擴大，所需連接的服務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器進行擴容。

大規(guī)模服務器節(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)中心的重要設計需求就是可以將現(xiàn)有的低成本設備融合到網(wǎng)絡中，作為一個資源整體提供云服務能力?？墒乾F(xiàn)實中這種對于低成本設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)級設備進行基礎的網(wǎng)絡建設。

3 三種拓撲結構的概念和部署方式

3.1 傳統(tǒng)DCN拓撲

傳統(tǒng)DCN結構的數(shù)據(jù)中心是基于對于網(wǎng)絡進行分層而規(guī)劃出的，通過將網(wǎng)絡架構分為三層，高一層的架構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。

圖1 傳統(tǒng)DCN拓撲

3.2 Fat-tree DCN拓撲

Fat-tree DCN是基于傳統(tǒng)DCN網(wǎng)絡架構的一種修正結構。這種結構的出現(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)中心設計的。這種類型的網(wǎng)絡拓撲也還是基于三層網(wǎng)絡架構構建的，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)絡無收斂。

圖2 Fat-tree DCN拓撲

3.3 DCell拓撲

DCell拓撲是以服務器節(jié)點為中心的混合型網(wǎng)絡架構。一個服務器會同時和若干個其他服務器直連。通過遞歸連接的方式，DCell將整個網(wǎng)絡由若干個Cell分層構架而成。Cell是一個基本的網(wǎng)絡節(jié)點，當前網(wǎng)絡達到一定規(guī)模之后，會作為一個新的Cell而成為更高一級網(wǎng)絡的一個網(wǎng)絡節(jié)點。這種網(wǎng)絡架構在對服務器有大規(guī)模需求的網(wǎng)絡規(guī)劃中可以將網(wǎng)絡容量擴展到極致。一個有6臺服務器構成基本Cell的4層DCell網(wǎng)絡，原則上可以容納3,600,000臺服務器。除了極為強大的網(wǎng)絡服務器容量外，DCell網(wǎng)絡也具有極高的穩(wěn)健性。不過可以很明顯看出來，域間訪問和網(wǎng)絡延時在這種網(wǎng)絡架構中會成為一個比較明顯的缺點。

圖3 DCell拓撲

4 網(wǎng)絡架構分析

網(wǎng)絡結構是大型數(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)絡結構在構建大型數(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，我們可以把數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡架構分為三種類型：一是以交換機為中心的網(wǎng)絡架構；二是通過服務器和交換機進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的混合型網(wǎng)絡架構；三是以服務器為中心的的網(wǎng)絡架構。

以交換為中心的網(wǎng)絡架構中，網(wǎng)絡交換機承擔了所有的路由和交換功能，典型的代表就是傳統(tǒng)DCN和Fat-tree DCN結構。而混合型的網(wǎng)絡架構通過服務器和交換機來進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。以服務器為中心的網(wǎng)絡架構則完全沒有依賴于交換機，只是通過服務器進行數(shù)據(jù)的處里和轉(zhuǎn)發(fā)。

目前在工業(yè)界應用最廣泛的，以傳統(tǒng)的交換為中心的網(wǎng)絡架構中，三層架構是主要的技術方案，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。核心層構成了網(wǎng)絡結構的基礎，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)絡結構進行模擬之后，結果表明以Fat-tree型的網(wǎng)絡構建的數(shù)據(jù)中心計算性能是獨立于網(wǎng)絡大小的，也就是說數(shù)據(jù)中心的性能相對穩(wěn)定。不過Fat-tree網(wǎng)絡架構相對來講更加昂貴。DCell結構的數(shù)據(jù)中心性能則取決于網(wǎng)絡的規(guī)模。規(guī)模越大的數(shù)據(jù)中心，相對來講，DCell結構的網(wǎng)絡更適合。而傳統(tǒng)的三層架構網(wǎng)絡結構則取決于網(wǎng)絡拓撲和用戶請求數(shù)。在拓撲并不復雜，用戶數(shù)相對較少的情況下，這種架構是代價最小，維護成本最低的一種選擇。

5 結束語

通過對數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡架構的介紹和實驗分析，我們可以得出這樣的結論：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DCell架構可以明顯提高數(shù)據(jù)中心的整體容量；如果數(shù)據(jù)中心對服務器規(guī)模沒有強烈的需求，建設資金充沛，而更加在意網(wǎng)絡性能的前提下，采用Fattree架構比較合理；如果在建設規(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架構會比較合適。

[1] Guo,Chuanxiong,et al."Dcell:a scalable and fault-tolerant network structure for data centers." ACM SIGCOMM Computer Communication Review 38.4 (2008):75-86.

[2] Al-Fares,Mohammad,Alexander Loukissas,and Amin Vahdat."A scalable,commodity data center network architecture." ACM SIGCOMM Computer Communication Review 38.4 (2008):63-74.

[3] Bilal,Kashif,et al."Quantitative comparisons of the state‐of‐the‐art data center architectures." Concurrency and Computation:Practice and Experience 25.12 (2013):1771-1783.

[4] Kliazovich,Dzmitry,Pascal Bouvry,and Samee Ullah Khan."GreenCloud:a packet-level simulator of energy-aware cloud computing data centers." The Journal of Supercomputing 62.3 (2012):1263-1283.

How to Choose the Right Network Topology in Data Center Design

Zhao Zhe,Hu Yingying
(The State Radio Monitoring Center,Beijing,100037)

In this paper,we present several major concepts of numerous Data Center Network topologies.Along with these key concepts,we analyze the throughput and performance by adopting existed research results.

Cloud Computing;Data Center Network;Fat-Tree;DCell;Hybrid Network

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.05.018

TN915.03 文獻標示碼：A

1672-7274（2016）05-0056-03

趙 哲，男，漢族，碩士研究生，畢業(yè)于美國佐治亞大學，獲得計算機科學與技術專業(yè)理學碩士，現(xiàn)就職于國家無線電監(jiān)測中心信息管理處。

胡瑩瑩，女，漢族，碩士研究生，畢業(yè)于北京航空航天大學，獲得計算機科學與技術專業(yè)理學碩士，現(xiàn)就職于國家無線電監(jiān)測中心信息管理處。