數據中心網絡的體系結構及發展

劉寶平

(黃岡職業技術學院，湖北 黃岡 438002)

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數據中心網絡的體系結構及發展

劉寶平

(黃岡職業技術學院，湖北 黃岡 438002)

隨著信息技術的不斷進步，數據中心網絡的規模也逐步擴大，網絡架構的設計一直是相關研究中的熱點問題。介紹了數據中心網絡拓撲設計，論述了幾種新型數據中心網絡結構的特點和性能，并展望了數據中心網絡的發展趨勢。

數據中心網絡；虛擬化；軟件定義網絡

數據中心網絡(data center network,簡稱DCN)是指數據中心內部通過高速鏈路和交換機連接大量服務器的網絡[1]。云計算技術的思想是將大量計算與數據存儲資源集中在云，也就是集中在數據中心里面，終端用戶根據需要像使用電力一樣從云中獲取各種計算、存儲和軟件服務資源。云計算技術對數據中心網絡提出了新的挑戰，比如網絡規模、虛擬機遷移、多租戶服務等。因此，隨著數據密集型計算技術的飛速發展，作為底層基礎設施，數據中心網絡在各行各業發揮著越來越重要的作用，快速變化的商業需求和網絡領域的最新技術都在催生數據中心的改變，數據中心網絡技術的研究已經得到了廣泛關注和重視。

1　數據中心網絡拓撲結構

為了解決網絡穩定性、擴展性以及上層帶寬瓶頸等問題，新型數據中心網絡架構不斷被研究者提出，以提供更好的優化結構和通信服務。數據中心網絡的拓撲架構研究是指針對數據中心網絡的特定需求，進行網絡拓撲結構、服務器節點編址以及互聯規則設定等相關方向的研究。根據目前的研究發展現狀來看，適用于數據中心網絡的網絡結構大體上可被分為三種類型：以交換機為中心的網絡，以服務器為中心的網絡和不規則的網絡。網絡結構的部署所提供的網絡帶寬和容錯水平直接影響著數據中心網絡的性能。

1.1樹形結構

如今大多數的數據中心是基于以交換機為中心的網絡結構構建的。雖然在擴展性和靈活性方面有所欠缺，但由于和傳統網絡結構相似，因此大多數的網絡組件和網絡協議直接或稍作修改后便可應用在這類網絡結構中，這也使得它更容易對傳統交換機進行更新，以支持網絡的構建工作。網絡中的所有鏈路均使用以太網協議，為了合理控制分組泛洪等負載問題，服務器一般被劃分為不同的域結構進行管理，將不同的業務或邏輯服務器進行分組以達到彼此隔離的目的。

1.2fat-tree網絡結構

fat-tree網絡結構是一種以交換機為中心的典型網絡。fat-tree結構是使用廉價交換機構建的網絡結構，這種結構采用大量廉價交換機與復雜連線取代昂貴的高層交換機，實現了大規模數據中心網絡的設備互聯。這些廉價交換機具有等同的交換能力和端口數量，不使用上行端口，而是完全使用下行端口。與傳統樹形結構的區別在于，位于匯聚層和邊緣層這兩層的交換機被分為々個域，域中的兩層交換機設備之間可以實現全連接。核心交換機端口全部向下連接匯聚交換機；匯聚交換機端口一半向上連接核心交換機，一半向下連接邊緣交換機；邊緣交換機一半端口向上連接核心交換機，一半端口向下連接服務器。使用端口交換機的網絡足以容納多達臺服務器。

1.3DCell網絡結構

DCell網絡結構是由微軟亞洲研究院提出的以服務器為中心、遞歸定義形成的網絡類型。使用層次化全連接的方式生成小型交換機間的互聯結構。這種分層連接、高度稱合的立體網狀結構設計，減少了數據延遲，提高了容錯性和網絡帶寬。DCell0是最小的結構單元，它由一臺為專門設計的特殊交換機和幾臺計算機組成。這個單元作為一個節點，充當下一層結構的基本單元，這就保證了每一層的連接都是一個完整圖。是基于遞歸思想使用多端口的網絡服務器和小型交換機構建的網絡拓撲結構。的優點是遞歸定義、去中心化、完全互聯等，可以較好地支撐路由容錯，并提供比樹形結構和結構更好的聚合帶寬。

1.4BCube網絡結構

為了解決的流量擁堵狀況，微軟亞洲研究院提出了DCell網絡結構，新型的BCubel結構改進使在網絡頂層可以提供更多的帶寬。在中，每一層的多端口服務器由多個交換機連接。與樹形結構、胖樹結構和不同的是，網絡的拓撲結構是模塊化的數據中心網絡。

2　現代數據中心網絡結構特征

數據中心網絡作為互聯網和云計算的基礎支撐平臺，承載著各類核心關鍵業務，對數據中心網絡的功能和性能提出了全新的要求。與一般的網絡不同，數據中心網絡在結構上也有其特殊的要求。傳統的數據中心網絡典型地采用二層或三層樹形結構，在三層網絡結構中，自上而下分別為核心層、匯聚層、邊緣層。

近年來，隨著信息技術的高速發展，因特網、電信網、物聯網等各類網絡相互交叉融合，信息量呈海量式增長，對數據的存儲、傳輸、處理等提出了極高的要求，數據中心規模急劇擴大，傳統的數據中心網絡結構成為限制數據中心發展的瓶頸，為此，研究人員提出了多種新的數據中心網絡結構，與傳統的樹形網絡相比，這些網絡具有鮮明的結構特點。

2.1特點1：基于商業交換機構建

傳統數據中心網絡采用樹形結構，網絡的通信帶寬將受限于根節點的帶寬，如假設采用典型的三層樹形結構，且所有層都使用普通48端口GIgE交換機，則核心層可用帶寬僅為所有服務器出口帶寬的約4‰。隨著交換機端口數以及網絡層數的增加，這種限制將更加突出。為了提高系統性能，需要采用高端昂貴的交換設備構建。雖然隨著技術的發展，交換機的性能將不斷提高，但是樹形結構的這種結構性的問題將一直存在。一個現代數據中心通常可達上萬乃至上百萬臺服務器的規模，使用高端專用設備將帶來巨大的開銷。為了降低成本，現代數據中心通常采用普通商業交換機構建，如Google數據中心、微軟數據中心及Fat-tree,Portland,DCell,BCube等。基于商業交換機構建是現代數據中心結構設計的出發點，也是導致現代數據中心網絡其他特性的重要因素。

2.2特點2：節點之間多路徑連接

使用商業交換機使得單條路徑的傳輸能力受限，需要在服務節點之間增加多條路徑以滿足服務器間高速數據傳輸的需求。Fat-tree,Portland均采用Clos構架的一種特殊形式(fat-tree)作為物理網絡的連接形式，提供服務器間的多路徑訪問，VL2在使用Clos構架的同時在核心層使用高端10GigE交換機以支持多路徑并提供更高的帶寬。Clos架構是貝爾實驗室設計的一種多級交換結構，最早應用在電話網絡中。Clos支持多級交換，并通過每個交換單元都連接到下一級的所有交換單元上，在不同交換單元之間建立多條交換鏈路。與此不同，DCell,BCube則通過在服務器上增加網卡，使服務器也承擔部分路由和轉發功能，并通過層次式的遞歸連接模式，構建服務器之間的多條通路。兩者相比，前者在網絡的連接方式上更加接近于傳統樹形結構，連接相對簡單，更加直觀和易于構建，但由于交換機承擔全部路由和轉發功能，仍需使用較高端的交換機，成本相對較高，而后者由于服務器承擔了部分轉發功能，只需小端口的交換機即可組建大規模的網絡，成本相對更低，但服務器的轉發能力相對更弱，同時，數據轉發功能也可能降低服務器性能。

2.3特點3：從機架式向集裝箱式轉變

傳統的數據中心基于機架構建，需要復雜的手工連線并占用大量的基礎設施(如機房、空調冷卻系統)，開發部署周期長，且一經部署就難以移動，數據中心網絡和基礎設施緊密耦合。集裝箱式數據中心又稱模塊化數據中心，它將服務器、網絡和空調系統封裝在標準尺寸的集裝箱內，一個集裝箱式數據中心可包含幾百或上千臺服務器。與傳統機架式數據中心相比，集裝箱式數據中心具有開發周期短、能耗密度高、占地面積小、便于移動部署等特征。

3　發展趨勢與展望

隨著云計算和大數據應用的飛速發展以及網絡在數據中心中的核心地位，數據中心網絡已經成為了近年來引人矚目的研究熱點。國際學術界、國際標準組織、網絡設備廠商、云計算提供商等都對數據中心網絡研究給予了非常大的關注。由于數據中心網絡領域的研究與工業界結合緊密，技術創新易于部署，可以預計在未來數年內數據中心網絡的研究還將持續成為焦點。學術界關于數據中心網絡的研究將成為云計算發展的有力助推器，并推動計算機網絡體系架構和協議本身的創新。當前國內關于數據中心網絡的研究基本與國際學術界保持同步，在部分技術方向甚至處于領先地位。因此，加強數據中心網絡的研究，對于推動我國云計算和下一代互聯網產業發展，并在國際新一輪IT技術革新浪潮中取得話語權，有非常重要的影響。

[1]陳康，鄭緯民.云計算：系統實例與研究現狀[J].軟件學報，2009，20(5)：1337-1348

劉寶平，男，黃岡職業技術學院，碩士，副教授，主要研究方向：網絡安全和電腦維護。

TP393

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1671-1602(2016)16-0098-02