新型數據中心網絡的體系結構探究

信陽農林學院信息工程學院 潘 赟

?

新型數據中心網絡的體系結構探究

信陽農林學院信息工程學院 潘 赟

【摘要】傳統的層次結構數據中心網絡已經不能滿足新技術發展的需要，針對此類問題，文章介紹了PortLand、SecondNet和Jellyfish等幾種新型的數據中心網絡的體系結構。并總結了未來數據中心網絡未來的發展方向，要對數據中心網絡協議進行探索和改進，流量以及失效規律進行測量與建模，體現節能機制等。

【關鍵詞】數據中心；體系結構；網絡

1　傳統數據中心網絡已經逐漸不能滿足用戶需要

傳統的DCN（data center network）是利用網絡中的分布在多處的大量服務器通過高速介質以及大量互連設備鏈接起來工作的。傳統的體系機構利用分層劃分的方式實現對整個網絡的規范和管理。但是隨著云計算和大數據技術的日益發展，傳統的網絡中心結構已經不能滿足網絡日益發展的需要，主要表現在以下幾個方面：

1）現在的網絡規模發展非常快，需要服務器的數量也是越來越多，就目前的網絡規模而言，需要的服務器的數量最少也要幾十萬個。

2）現在的網絡需要的流量也是越來越大，因為MapReduce和虛擬機遷移的應用非常廣泛，這些技術都是帶寬密集型的應用，這就要求數據中心內部的流量非常高［1］。這些流量占總流量的80%左右。

3）傳統的網絡結構只能用來輔助設計高效的路由算法，而現在很多新型的數據中心結構和傳統的結構存在很大的差別。

4）現在數據中心應用最廣泛的技術就是虛擬化技術，這樣就要求數據中心網絡必須要能夠實現虛擬機的任意遷移和部署，同時還不能對應用層產生任何的影響。

5）現在的數據中心內有很多的服務器和交換機，在此情況下，數據中心網絡還必須要即插即用。

6）就全球網絡的資源而言，現在數據中心網絡的能耗是最高的，同時數據中心的超過80%的鏈路負載非常輕。傳統的數據中心網絡結構的能耗更高。

2　幾種新型的數據中心網絡的體系結構方案

在新型的數據中心網絡的體系結構方案中，有一個重要的特點就是需要改變現有網絡的互聯方式和路由機制，文章選用3個代表新方案PortLand、SecondNet和Jellyfish。

2.1PortLand結構

PortLand體系結構如圖1所示。該體系結構是由FatTree網絡結構演變而來，傳統的樹形網絡拓撲中，帶寬是逐層減小的，樹根處的網絡帶寬要遠小于各個葉子處所有帶寬的總和。而FatTree網絡則更像是真實的樹，越到樹根，枝干越粗，即：從葉子到樹根，網絡帶寬不減少，這一特點也是是其能架構支撐無阻塞網絡的基礎。

圖1　AMAC與PMAC的映射

PortLand與FatTree網絡兩者最大的區別就是PortLand結構使用了一個重要的參數［2］，此參數就是基本結構管理者（fabric manager），同時還通過層次偽MAC地址負責分組和轉發。該體系結構在FatTree網絡的基礎上構建了第二層路由選擇和轉發的協議，但是PortLand需要升級原始交換機才能滿足層次協議的要求。

2.2SecondNet體系結構

SecondNet體系結構如圖2所示，此體系有個重要的特點，那就是引入了一種重要的參數，此參數是VDC管理者（VDC manager），此參數的主要任務是完成行VDC創建、調整和刪除。同時通過此參數和交換機還可以實現系統的計算。此圖中的虛線表示VDC 管理者的樹形管理系統，此圖中粗實線表示的是一條PSSR路徑［3］。

圖2　SecondNet 體系結構

2.3Jellyfish體系結構

此體系結構如圖3所示，傳統的網絡結構在很大程度上限制了網絡的擴展，為了得到更短的平均路徑長度，同時實現減小網絡耗費，學者才提出了此體系結構。次體系重要的一個特點就是可以在ToR交換機層上構建一個隨機圖，從而獲得相對更短的路徑長度，并相應的減少網絡的功耗。

Jellyfish可以獲得比FatTree更優化的路徑長度，且能獲得更大的帶寬。但是網絡拓撲結構的改變，網絡拓撲更加隨機，帶了的是布線方式的挑戰，特別是在連接Jellyfish集裝箱數據中心的時候，如何使用光釬布線是一個突破點。另外網絡中也要考慮如何進一步優化Jellyfish網絡的路徑選擇機制。

圖3　Jellyfish拓撲

3　總結

前面論述了幾個新型的數據中心網絡的體系結構，未來數據中心網絡未來的發展方向，必須要對數據中心網絡協議進行探索和改進，流量以及失效規律進行測量與建模，體現節能機制等。

1）互聯網絡多采用分布式系統處理方式，目前，許多研究者也提出了很多的網絡結構，新的網絡產品和傳輸介質的不斷更新，對于提出新興網絡結構的研究是很有意義的，但是也是需要經過長期的研究和實踐的驗證。

2）所有數據網絡協議都要進行改進，包括從網際接口層到傳輸層的所有協議。新的網絡設備的出現，改變的傳統的網絡體系結構層次的功能，以至結構和協議存在很大的區別，而在互聯網覆蓋面更加廣泛的前提下，就更加迫切的要求對應協議的改進，以保證網絡運行的安全性和有效性。

3）需要進行流量以及失效規律的測量與建模。在新型的網絡中存在很多異構的網絡，所有網絡的流量模式也不盡相同。所以就必須要通過多種的架構進行處理，進行數據中心流量和失效特征進行深入的研究，并實現測量和建模分析。因為只有通過數據的分析才能更好的構架出科學的數據中心網絡模型。

4）在整個網絡運行中體現低能耗。現在全世界對設備能耗的的要求越來越重視，這就要求網絡體現結構以及運行過程中使用到的設備要盡可能的低能耗。包括網絡中設備的低能耗、路由轉發時的低能耗，以及轉發節點和虛擬機的低能耗等方面。

文章論述了討論了傳統的網絡體現結構在新的網絡環境下存在的缺陷及存在的問題。針對這些問題，文章著重論述了PortLand、SecondNet和Jellyfish等體系結構，以及在未來的發展過程中要涉及到的幾個方面。

參考文獻

［1］黎宏劍，劉恒，黃廣文，卜立.基于Hadoop的海量電信數據云計算平臺研究［J］.電信科學，2012，（8）：80-83.

［2］高明，金澈清，王曉玲，田秀霞，周傲英.數據世系管理技術研究綜述［J］.計算機學報，2010，33（3）：373-389.

［3］宮學慶，金澈清，王曉玲，張蓉，周傲英.數據密集型科學與工程：需求和挑戰［J］.計算機學報，2012，35（8）：1563-1578.

［4］鄭亦梁.Web數據挖掘和個性化搜索孫擎研究［J］.通訊世界，2016（3）：240.

［5］任新社，陳靜遠.關于數據挖掘研究現狀及發展趨勢的探究［J］.信息通信，2016（2）：226.