CN102394782B - 基于模块扩展的数据中心网络拓扑系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于模块扩展的数据中心网络拓扑系统，主要解决现有数据中心树形拓扑的扩展能力受限于交换机设备端口数量及下行链路缺乏动态选择性的问题，其实现步骤是：在胖树结构的核心层与汇聚层之间引入中间层；将各层交换机与服务器连接而成的小网络记作一个基本模块，如此构建多个基本模块；通过核心层交换机的4个增设端口将各基本模块连接成一个大的整体网络，满足构建数据中心网络的需求及下行链路的动态选择，提供高对分带宽；对网络拓扑系统采用横向扩展或纵向扩展或混合扩展，灵活地支持网络规模的扩建。本发明具有网络容错性能高，能够容纳更多服务器设备，满足未来应用扩建需求的优点，可用于构建数据中心网络，提供高带宽数据传输。

Description

基于模块扩展的数据中心网络拓扑系统

技术领域

本发明属于互联网技术领域，具体涉及一种基于模块扩展的数据中心网络拓扑系统。可用于构建大规模数据中心网络，实现数据中心网络服务器之间高效地通信。

背景技术

网络及信息技术的迅速发展，使得数据中心成为现代社会中科研单位、金融机构等各行业的服务中心，运载企业的核心业务，满足数据挖掘、存储、高性能计算等服务要求。因此，构建适用于企业发展需求的数据中心已成为服务运营商、科研单位、各门户网站等的IT重点建设项目，实现提升服务效率、降低运营成本、提高集中管理效率的目的。现阶段，随着数据中心应用范围的不断深入，数据中心规模持续扩大，致使数据中心设备成本增加，能耗开销激增，管理更加复杂，给企业发展带来沉重负担；另外，业务传输量增加，达P(10¹⁵)级，甚至Z(10²⁰)级，数据业务对服务质量、传输速度具有严格要求，上述业务特点使得现代企业对数据中心网络的服务质量、传输能力等提出新的要求。基于数据中心应用的广泛性及数据中心业务的特点，因此构建数据中心网络时，需要综合考虑诸多因素：网络的高可扩展性、高对分带宽、高容错性能、低时延、易管理、低成本开销等。

现有构建数据中心网络的方法很多，根据拓扑的设计思想不同，采用的设备、互连规则、扩展方式也有所不同，但目标都是最大限度地满足数据中心网络的性能要求。目前构建数据中心网络时多采用树形结构，或传统树形结构或胖树结构。传统树形结构采用高性能专用交换设备，以多根树方式连接交换机与服务器设备，以纵向扩展方式实现数据中心网络扩建目标，扩展规模与拓扑层数成正相关，即网络规模越大，则构建网络的拓扑层数越高，但传统树形结构的扩展规模受限于高层交换设备的端口数量，且结构存在严重的过载问题，层数越高，高层过载问题越严重，网络设备采用高性能专用设备，设备成本高，下行链路唯一，缺乏动态选择性，单点故障难以避免；胖树结构采用自上而下核心层、汇聚层、边缘层的三层结构模式构建数据中心网络，与传统树形结构相比，胖树结构以商用设备代替高性能专用设备，横向扩展取代纵向扩展方式，在一定程度上解决传统树形结构设备成本高、过载严重的问题，但胖树结构难以克服传统树形结构扩展能力受限于核心交换设备的端口数量的缺陷，胖树结构仍存在下行链路唯一、缺乏动态选择性、单点故障等缺点。

发明内容

本发明的目的是针对上述数据中心网络拓扑结构的不足，提出一种基于模块扩展的数据中心网络拓扑结构，以克服网络扩展能力受限于交换机端口数量的缺陷，提高树形结构中下行链路的动态选择性，改善网络的容错性能。

为实现上述目的，本发明的基于模块扩展的数据中心网络拓扑系统，包括核心层(104)、汇聚层(105)及边缘层(107)，每一层均设有一组交换机，汇聚层的交换机通过上行端口向上一层交换机提交数据或从上一层交换机接收数据，且下行端口连接边缘层的交换机；边缘层的交换机通过其下行端口连接服务器(108)，对不同服务器的数据进行转发；所述汇聚层包括k²/2个交换机，k是拓扑结构中Pod结构(109)的数目，取值为偶数，Pod结构(109)是由两层交换机组成，上层为k/2个汇聚层的交换机，下层为k/2个边缘层的交换机，每个交换机包括k/2个上行端口及k/2个下行端口；所述核心层包括k²/4个交换机，每个交换机包括k个下行端口，其特征在于：

A.在核心层与汇聚层之间引入中间层，该中间层包括k²/2个交换机，每个交换机包括k/2个上行端口及k/2个下行端口，将这些交换机从左至右均分为k/2组，记作g_i，这里，编号符号凡出现右下标i，则表征该符号标识的是中间层设备，从左至右g_i标记为0，1，...，k/2-1，再分别与核心层和汇聚层进行如下连接：

当中间层的交换机与核心层的交换机连接时，为每个中间层交换机组内的交换机编号，记作w_i，从左至右w_i标记为0，1，...，k/2-1，将每个中间层交换机的上行端口编号为q_i，从左至右q_i标记为k/2，k/2+1，...，k-1；将k²/4个核心层的交换机从左至右均分为k/2组，记作g_c，这里，编号符号凡出现右下标c，则表征该符号标识的是核心层设备，从左至右g_c标记为0，1，...，k/2-1，将每个组内的交换机编号为s_c，从左至右s_c标记0，1，...，k/2-1，将每个交换机的下行端口编号为p_c，从左至右p_c标记为0，1，...，k/2-1；当且仅当核心层的交换机与中间层的交换机编号标记满足g_c＝g_i，s_c＝q_i-k/2，p_c＝w_i时互连条件成立，则将中间层的交换机与核心层的交换机连接；

当中间层的交换机与Pod结构内汇聚层交换机连接时，将每个中间层的交换机组从左至右均分为两个小单元，记作c_i，从左至右c_i标记为0和1，将每个小单元内的交换机编号为s_i，从左至右s_i标记为0，1，...，k/2-1，将每个交换机的下行端口编号为p_i，从左至右p_i标记为0，1，...，k/2-1；将k个Pod结构从左至右均分为k/2个Pod结构组，记作g_p，这里，编号符号凡出现右下标p，则表征该符号标识的是Pod结构，从左至右g_p标记为0，1，...，k/2-1，将每个组内的Pod结构编号为c_p，从左至右c_p标记为0和1，将Pod结构内汇聚层的交换机的上行端口编号为q_a，这里，编号符号凡出现右下标a，则表征该符号标识的是汇聚层设备，从左至右q_a标记为k/2，k/2+1，...，k-1；当且仅当中间层的交换机与Pod结构内汇聚层的交换机编号标记满足s_i＝g_p，c_i＝c_p，p_i＝s_a，g_i＝q_a-k/2时互连条件成立，则将中间层的交换机与Pod结构内汇聚层交换机连接；

B.将核心层、中间层、汇聚层及边缘层的交换机与服务器连接而成的一个小网络，记作一个基本模块(101)，如此方式构建m个基本模块，通过核心层交换机增设的4个端口将各基本模块连接成一个整体网络；

C.采用横向扩展或纵向扩展或混合扩展三种方式对整体网络进行扩建，实现网络支持更多服务器设备，满足应用发展需求。

2.根据权利1所述的数据中心网络拓扑系统，其中步骤B所述的通过核心层交换机增设的4个端口将各基本模块连接成一个大的整体网络，连接规则如下：

将增设的4个端口均分为两组，分别记作h_c，v_c，其中h_c标记为k和k+1，v_c标记为k+2和k+3；将m个基本模块纵向排列，采用二元组为各模块内部的核心层交换机编号，记作(e，f)，其中e代表网络拓扑系统中基本模块编号，自上而下e标记为0，1，...，m-1，f代表基本模块内核心层交换机的编号，从左至右f标记为0，1，...，k²/4-1；对于任意的两个核心层交换机(e₁，f₁)、(e₂，f₂)，e₁、e₂代表e的任意两个编号标记，f₁、f₂代表f的任意两个编号标记，若e₁≠e₂，则将这两个核心层的交换机定义为不同基本模块，若e₁＝e₂，则将这两个核心层的交换机定义为相同基本模块；再将增设的端口分别与不同基本模块的核心层和相同基本模块的核心层进行如下连接：

当增设的端口用于连接不同基本模块的核心层交换机时，当且仅当两个核心层交换机的编号标记满足e₂＝(e₁+1)mod m，f₂＝f₁，其中e₁、e₂为e的任意两个标记，自上而下e标记为0，1，...，m-1，f₁、f₂为f的任意两个标记，从左至右f标记为0，1，...，k²/4-1，mod为取模操作，将(e₁，f₁)号核心层交换机的k+3号端口连接(e₂，f₂)号核心层交换机的k+2号端口；通过增设端口，以纵向环(102)实现不同基本模块中相邻的核心层交换机之间及首尾的核心层交换机之间的连接；

当增设的端口用于连接相同基本模块的核心层交换机时，当且仅当两个核心层交换机的编号满足e₂＝e₁，f₂＝(f₁+1)mod(k²/4)，其中e₁、e₂为e的任意两个标记，自上而下e标记为0，1，...，m-1，f₁、f₂为f的任意两个标记，从左至右f标记为0，1，...，k²/4-1，将(e₁，f₁)号核心层交换机的k+1号端口连接(e₂，f₂)号核心层交换机的k号端口；通过增设端口，以横向环(103)实现相同基本模块内相邻的核心层交换机之间及首尾的核心层交换机之间的连接。

本发明与现有数据中心树形网络构架相比，具有以下优点：

1.本发明由于在胖树结构的核心层与汇聚层之间引入中间层，保证网络拓扑在具有多路径的前提下，实现网络下行链路的动态选择性。

2.本发明由于采用模块化设计，通过核心层交换机增设的4个端口连接各基本模块，实现构建大规模数据中心网络的需求。

3.本发明由于采用横向扩展或纵向扩展或混合扩展的网络扩建思想，保证网络具有高度可展性，克服网络扩展能力受限于网络交换机设备端口数量的限制，实现网络灵活扩建的目的。

附图说明

图1是本发明基于模块扩展的数据中心网络拓扑系统示意图；

图2是本发明数据中心网络拓扑系统中的基本模块示意图；

图3是本发明对数据中心网络拓扑系统横向扩展后的结果示意图；

图4是本发明对数据中心网络拓扑系统纵向扩展后的结果示意图；

图5是本发明对数据中心网络拓扑系统混合扩展后的结果示意图；

图6是本发明中交换机各端口的编号示意图。

具体实施方式

为更清楚的介绍本发明提出的基于模块扩展的数据中心网络拓扑系统，下面将结合附图和具体实例进行详细说明。

参照图1，本发明基于模块扩展的数据中心网络拓扑系统，包括m个基本模块，每个基本模块是由核心层104、中间层105、汇聚层106及边缘层107的交换机与服务器108连接，形成一个小网络101。核心层包括k²/4个交换机，每个交换机包括k个下行端口及4个增设端口；中间层、汇聚层及边缘层各包括k²/2个交换机，每个交换机包括k/2个下行端口及k/2个上行端口，其中k是基本模块内包括的Pod结构的数量，Pod结构109是由两层交换机组成，上层为k/2个汇聚层交换机，下层为k/2个边缘层交换机，Pod结构109内汇聚层交换机采用全互连方式与边缘层交换机连接；基本模块内各层交换机数量及基本模块所能容纳的服务器数量均由k值决定，k、m的值均为正整数，在本实例中，m＝2，k＝4，但不局限于这个数据。

各基本模块之间的连线如下：本实例中，每个基本模块内包括4个核心层交换机，每个核心层交换机包括4个增设端口，增设端口分别标记为4、5、6、7，其中增设端口标记原则如图6(a)所示；将2个基本模块纵向排列，采用二元组为各模块内部的核心层交换机编号，标记为(0，0)、(0，1)、(0，2)、(0，3)、(1，0)、(1，1)、(1，2)、(1，3)，将增设的端口分别与不同基本模块的核心层和相同基本模块的核心层进行如下连接：

当增设的端口用于连接不同基本模块的核心层交换机时，核心层交换机(0，0)通过7号端口连接(1，0)的6号端口，(1，0)的7号端口与(0，0)的6号端口连接，实现纵向环102连接，同理，实现(0，1)与(1，1)、(0，2)与(1，2)、(0，3)与(1，3)的纵向环102连接；

当增设的端口用于连接相同基本模块的核心层的交换机时，核心层交换机(0，0)通过5号端口连接(0，1)的4号端口，(0，1)的5号端口与(0，2)的4号端口连接，(0，2)的5号端口与(0，3)的4号端口连接，(0，3)的5号端口与(0，0)的4号端口连接，实现横向环103连接，同理，实现(1，0)、(1，1)、(1，2)、(1，3)之间的横向环103连接。

参照图2，基本模块内部连线规则如下：

基本模块内包括4个Pod结构，每个Pod结构是由2个汇聚层交换机及2个边缘层交换机构成，Pod结构内汇聚层交换机通过下行端口与边缘层交换机以全互连方式连接；核心层包括4个交换机，每个交换机包括4个下行端口及4个增设端口，汇聚层及边缘层各包括8个交换机，每个交换机包括2个上行端口及2个下行端口；汇聚层的交换机通过上行端口向上一层交换机提交数据或从上一层交换机接收数据，且下行端口连接边缘层的交换机；每个边缘层交换机通过下行端口连接2个服务器，对不同服务器的数据进行转发。

其中，为详细基本模块内部各层交换机之间的连线顺序，各交换机的端口编号规则参照图6：其中如图6(a)所示，将每个边缘层、汇聚层及中间层的下行端口标记为0、1，上行端口标记为2、3；如图6(b)所示，将核心层交换机的下行端口标记为0、1、2、3，增设端口标记为4、5、6、7。

在核心层与汇聚层之间引入中间层，该中间层包括8个交换机，每个交换机包括2个上行端口及2个下行端口，将这些交换机从左至右均分为2组，记作g_i，这里，编号符号凡出现右下标i，则表征该符号标识的是中间层设备，从左至右g_i标记为0和1，中间层交换机通过其上行端口及下行端口再分别与核心层和汇聚层进行如下连接：

当中间层的交换机与核心层的交换机连接时，分别为每个中间层交换机组内的中间层交换机及每个中间层交换机的上行端口编号，即将每个中间层交换机组g_i内的交换机编号为w_i，从左至右w_i标记为0，1，2，3，将每个中间层交换机w_i的上行端口编号为q_i，q_i标记为2和3；将4个核心层的交换机从左至右均分为2组，记作g_c，这里，编号符号凡出现右下标c，则表征该符号标识的是核心层设备，从左至右g_c标记为0和1，将每个核心层交换机组内的交换机编号为s_c，从左至右s_c标记为0和1，将每个交换机的下行端口编号为p_c，p_c标记为0，1，2，3；当且仅当核心层的交换机与中间层的交换机编号标记满足g_c＝g_i，s_c＝q_i-2，p_c＝w_i时，核心层交换机与中间层交换机连接条件成立，则将编号标记满足该互连条件的中间层的交换机与核心层的交换机连接，即：

根据核心层交换机与中间层交换机的互连条件，0号核心层交换机组与0号中间层交换机组连接：0号核心层交换机组的0号核心层交换机通过其0、1、2、3号下行端口分别与0号中间层交换机组内的0、1、2、3号中间层交换机的2号上行端口连接，0号核心层交换机组的1号核心层交换机通过其0、1、2、3号下行端口分别与0号中间层交换机组内的0、1、2、3号中间层交换机的3号上行端口连接；1号核心层交换机组与1号中间层交换机组连接：1号核心层交换机组的0号核心层交换机通过其0、1、2、3号下行端口分别与1号中间层交换机组内的0、1、2、3号中间层交换机的2号上行端口连接，1号核心层交换机组的1号核心层交换机通过其0、1、2、3号下行端口分别与1号中间层交换机组内的0、1、2、3号中间层交换机的3号上行端口连接。

当中间层的交换机与Pod结构内汇聚层交换机连接时，将每个中间层的交换机组从左至右均分为两个小单元，记作c_i，从左至右c_i标记为0和1，将每个小单元内的交换机编号为s_i，从左至右s_i标记为0和1，将每个交换机的下行端口编号为p_i，p_i标记为0和1；将4个Pod结构从左至右均分为2个Pod结构组，记作g_p，这里，编号符号凡出现右下标p，则表征该符号标识的是Pod结构，从左至右g_p标记0和1，将每个组内的Pod结构编号为c_p，从左至右c_p标记0和1，为Pod结构内汇聚层的交换机的上行端口编号，记作q_a，这里，编号符号凡出现右下标a，则表征该符号标识的是汇聚层设备，q_a标记为2和3；当且仅当中间层的交换机与Pod结构内汇聚层的交换机编号标记满足s_i＝g_p，c_i＝c_p，p_i＝s_a，g_i＝q_a-2时，中间层交换机与汇聚层交换机连接条件成立，则将编号标记满足该互连条件的中间层的交换机与Pod结构内汇聚层交换机连接，即：

根据中间层交换机与汇聚层交换机的互连条件，0号中间层交换机组内的0号小单元中的0号中间层交换机通过其0、1号下行端口连接0号Pod组内的0号Pod中的0、1号汇聚层交换机的2号上行端口，0号中间层交换机组内的0号小单元中的1号交换机通过0、1号下行端口连接1号Pod组内的0号Pod中的0、1号汇聚层交换机的2号上行端口；0号中间层交换机组内的1号小单元中的0号中间层交换机通过其0、1号下行端口连接0号Pod组内的1号Pod中的0、1号汇聚层交换机的2号上行端口，0号中间层交换机组内的1号小单元中的1号交换机通过0、1号下行端口连接1号Pod组内的1号Pod中的0、1号汇聚层交换机的2号上行端口；1号中间层交换机组内的0号小单元中的0号中间层交换机通过其0、1号下行端口连接0号Pod组内的0号Pod中的0、1号汇聚层交换机的3号上行端口，1号中间层交换机组内的0号小单元中的1号交换机通过0、1号下行端口连接1号Pod组内的0号Pod中的0、1号汇聚层交换机的3号上行端口；1号中间层交换机组内的1号小单元中的0号中间层交换机通过其0、1号下行端口连接0号Pod组内的1号Pod中的0、1号汇聚层交换机的3号上行端口，1号中间层交换机组内的1号小单元中的1号交换机通过0、1号下行端口连接1号Pod组内的1号Pod中的0、1号汇聚层交换机的3号上行端口。

根据上述的基本模块构建原则及基本模块之间连接规则构建而成的数据中心网络拓扑系统，随着数据中心应用范围的不断深入，数据中心网络规模将持续扩大，为保证网络能够容纳更多的服务器设备，网络拓扑系统的采用横向扩展或纵向扩展或混合扩展三种方式对整体网络进行扩建，以满足应用发展需求，其中：

横向扩展方式是在保证网络拓扑系统中基本模块数不变的前提下，根据网络规模扩建的需要，增加各基本模块内Pod结构的数量，按如下方法确定各基本模块增加的Pod结构数：假设原网络构架中有m·k³/4个服务器，现网络需扩建至能容纳t个服务器，则根据t＝m·(k+2n)³/4，得到n值，确定每个基本模块内增加2n个Pod结构。

纵向扩展方式是在保证网络拓扑系统中基本模块内包括的Pod结构数量不变的前提下，根据网络规模扩建的需要，增加网络中基本模块的数量，按如下方法确定网络拓扑系统中增加的基本模块数：假设原网络中有m·k³/4个服务器，现网络需扩建至能容纳t个服务器，则根据t＝(m+r)·k³/4，得到r值，确定增加的基本模块数。

混合扩展方式是综合横向扩展与纵向扩展两种网络扩建方式，根据网络规模扩建的需要，同时增加网络拓扑系统中的基本模块数量及基本模块内包括的Pod结构数量，按如下方法确定网络拓扑系统中增加的基本模块数及基本模块内增加的Pod结构数：假设原网络有m·k³/4个服务器，现网络需扩建至能容纳t个服务器，则根据t＝(m+r)·(k+2n)³/4，选择适宜的n、r数值对，实现网络扩建的目的。

参照图3，横向扩展方式具体实施步骤如下：

本实例中，网络规模由图1网络拓扑系统中容纳的32个服务器设备，扩建至容纳108个服务器，根据横向扩展方式的规则，确定每个基本模块需容纳108/2＝54＝(4+2)³/4个服务器，横向扩展后，每个基本模块内将包括6个Pod结构，由此确定基本模块内包含的Pod结构数由4增至6，使网络由2行、4列增变为2行、9列；

对于各基本模块内的边缘层、汇聚层及中间层交换机，分别为每个交换机增加1个上行端口及1个下行端口；对于各基本模块内的核心层交换机，分别为每个交换机增加2个下行端口；

在各基本模块内新增5个核心层交换机，每个核心层的交换机包括6个下行端口及4个增设端口；在各基本模块内的边缘层、汇聚层及中间层各新增10个交换机，每个交换机包括3个上行端口及3个下行端口；在各基本模块内新增38个服务器；

拆除网络拓扑系统中2个基本模块的横、纵向环连接，按基本模块构建规则，将新增的交换机与服务器设备分配到各基本模块内，即：每个核心层交换机组包括3个交换机，每个中间层交换机组内包括6个交换机，每个Pod结构内包括3个汇聚层交换机及3个边缘层交换机，且在每个基本模块内新增1个核心层交换机组、1个中间层交换机组及1个Pod结构组；按上述编号规则，为基本模块内各层交换机组、各组内交换机及交换机端口编号，根据基本模块内各层交换机之间及交换机与服务器之间的连线规则，将各设备连接成一个小网络，实现基本模块的更新；

按基本模块之间的连线规则，将更新后的各基本模块连接成新的数据中心网络，实现网络规模扩建以满足容纳更多服务器设备的应用需求。

参照图4，纵向扩展方式具体实施步骤如下：

本实例中，网络规模由图1网络拓扑系统中容纳的32个服务器设备，扩建至容纳48个服务器，根据纵向扩展方式的规则，确定扩建后的网络构架中将需要48/16＝3个基本模块，由此确定网络拓扑系统中基本模块数由2增至3，使网络由2行、4列增变为3行、4列；

在整个网络中新增4个核心层交换机，每个核心层交换机包括4个下行端口及4个增设端口；在整个网络中新增边缘层、汇聚层及中间层交换机各8个，每个交换机包括2个上行端口及2个下行端口；在整个网络中新增8个服务器；

按基本模块的构建规则，将新增的交换机及服务器设备连接成1个基本模块；

拆除网络拓扑系统中的2个基本模块的横、纵向环连接，按基本模块之间的连线规则，将新构建的1个基本模块与原有网络中的2个基本模块连接成新的数据中心网络，实现网络规模扩建以满足容纳更多服务器设备的应用需求。

参照图5，混合扩展方式具体实施步骤如下：

本实例中，网络规模由图1网络拓扑系统中容纳的32个服务器设备，扩建至容纳162个服务器，根据混合扩展方式的规则，确定扩建后的网络拓扑系统中将包括3个基本模块且基本模块内包括6个Pod结构，由此确定网络拓扑系统中的基本模块数由2增至3，每个基本模块内的Pod结构数量由4增至6，使网络由2行、4列增变为3行、10列；

根据各基本模块内增加的Pod结构数量，对于边缘层、汇聚层及中间层交换机，分别为每个交换机增加1个上行端口及1个下行端口，对于核心层交换机，分别为每个交换机增加2个下行端口；

在各基本模块内新增5个核心层交换机，每个核心层的交换机包括6个下行端口及4个增设端口；在各基本模块内新增10个的边缘层交换机、10个汇聚层交换机及10个中间层交换机，每个交换机包括3个上行端口及3个下行端口；在各基本模块内新增38个服务器；

拆除网络拓扑系统中2个基本模块的横、纵向环连接，按基本模块构建规则，将新增的交换机与服务器设备分配到各基本模块内，即：每个核心层交换机组包括3个交换机，每个中间层交换机组内包括6个交换机，每个Pod结构内包括3个汇聚层交换机及3个边缘层交换机，且在每个基本模块内新增1个核心层交换机组、1个中间层交换机组及1个Pod结构组；按上述编号规则，为基本模块内各层交换机组、各组内交换机及交换机端口编号，根据基本模块内各层交换机之间及交换机与服务器之间的连线规则，将各设备连接成一个小网络，实现基本模块的更新；

在整个网络中新增9个核心层交换机，每个核心层的交换机包括6个下行端口及4个增设端口；在整个网络中新增边缘层、汇聚层及中间层交换机各18个，每个交换机包括3个上行端口及3个下行端口；在整个网络中新增54个服务器；按基本模块构建规则，将这些设备连接成1个新的基本模块；

按基本模块之间的连接规则，将更新后的2个基本模块与新构建的1个基本模块连接成新的数据中心网络，实现网络规模的扩建，满足容纳更多服务器设备的应用需求。

Claims (5)

1.一种基于模块扩展的数据中心网络拓扑系统，包括核心层（104）、汇聚层（105）及边缘层（107），每一层均设有一组交换机，汇聚层的交换机通过上行端口向上一层交换机提交数据或从上一层交换机接收数据，且下行端口连接边缘层的交换机；边缘层的交换机通过其下行端口连接服务器（108），对不同服务器的数据进行转发；所述汇聚层包括k²/2个交换机，k是拓扑结构中Pod结构（109）的数目，取值为偶数，Pod结构（109）是由两层交换机组成，上层为k/2个汇聚层的交换机，下层为k/2个边缘层的交换机，每个交换机包括k/2个上行端口及k/2个下行端口；所述核心层包括k²/4个交换机，每个交换机包括k个下行端口，其特征在于：

A.在核心层与汇聚层之间引入中间层，该中间层包括k²/2个交换机，每个交换机包括k/2个上行端口及k/2个下行端口，将这些交换机从左至右均分为k/2组，记作g_i，这里，编号符号凡出现右下标i，则表征该符号标识的是中间层设备，从左至右g_i标记为0，1，…，k/2-1，再分别与核心层和汇聚层进行如下连接：

当中间层的交换机与核心层的交换机连接时，为每个中间层交换机组内的交换机编号，记作w_i，从左至右w_i标记为0，1，…，k-1，将每个中间层交换机的上行端口编号为q_i，从左至右q_i标记为k/2，k/2+1，…，k-1；将k²/4个核心层的交换机从左至右均分为k/2组，记作g_c，这里，编号符号凡出现右下标c，则表征该符号标识的是核心层设备，从左至右g_c标记为0，1，…，k/2-1，将每个组内的交换机编号为s_c，从左至右s_c标记0，1，…，k/2-1，将每个交换机的下行端口编号为p_c，从左至右p_c标记为0，1，…，k-1；当且仅当核心层的交换机与中间层的交换机编号标记满足g_c=g_i，s_c=q_i-k/2，p_c=w_i时互连条件成立，则将中间层的交换机与核心层的交换机连接；

当中间层的交换机与Pod结构内汇聚层交换机连接时，将每个中间层的交换机组从左至右均分为两个小单元，记作c_i，从左至右c_i标记为0和1，将每个小单元内的交换机编号为s_i，从左至右s_i标记为0，1，…，k/2-1，将每个交换机的下行端口编号为p_i，从左至右p_i标记为0，1，…，k/2-1；将k个Pod结构从左至右均分为k/2个Pod结构组，记作g_p，这里，编号符号凡出现右下标p，则表征该符号标识的是Pod结构，从左至右g_p标记为0，1，…，k/2-1，将每个组内的Pod结构编号为c_p，从左至右c_p标记为0和1，将Pod结构内汇聚层的交换机的上行端口编号为q_a，这里，编号符号凡出现右下标a，则表征该符号标识的是汇聚层设备，从左至右q_a标记为k/2，k/2+1，…，k-1；当且仅当中间层的交换机与Pod结构内汇聚层的交换机编号标记满足s_i=g_p，ci=c_p，p_i=s_a，g_i=q_a-k/2时互连条件成立，则将中间层的交换机与Pod结构内汇聚层交换机连接；

B.将核心层、中间层、汇聚层及边缘层的交换机与服务器连接而成的一个小网络，记作一个基本模块（101），如此方式构建m个基本模块，通过核心层交换机增设的4个端口将各基本模块连接成一个整体网络；

C.采用横向扩展或纵向扩展或混合扩展三种方式对整体网络进行扩建，实现网络支持更多服务器设备，满足应用发展需求。

2.根据权利要求1所述的数据中心网络拓扑系统，其中步骤B所述的通过核心层交换机增设的4个端口将各基本模块连接成一个大的整体网络，连接规则如下：

将增设的4个端口均分为两组，分别记作h_c，v_c，其中h_c标记为k和k+1，v_c标记为k+2和k+3；将m个基本模块纵向排列，采用二元组为各模块内部的核心层交换机编号，记作(e，f)，其中e代表网络拓扑系统中基本模块编号，自上而下e标记为0，1，…，m-1，f代表基本模块内核心层交换机的编号，从左至右f标记为0，1，…，k²/4-1；对于任意的两个核心层交换机(e₁，f₁)、(e₂，f₂)，e₁、e₂代表e的任意两个编号标记，f1、f2代表f的任意两个编号标记，若e₁≠e₂，则将这两个核心层的交换机定义为不同基本模块，若e₁＝e₂，则将这两个核心层的交换机定义为相同基本模块；再将增设的端口分别与不同基本模块的核心层和相同基本模块的核心层进行如下连接：

当增设的端口用于连接不同基本模块的核心层交换机时，当且仅当两个核心层交换机的编号标记满足e₂=(e₁+1)mod m，f₂=f₁，其中e₁、e₂为e的任意两个标记，自上而下e标记为0，1，…，m-1，f₁、f₂为f的任意两个标记，从左至右f标记为0，1，…，k²/4-1，mod为取模操作，将(e₁，f₁)号核心层交换机的k+3号端口连接(e₂，f₂)号核心层交换机的k+2号端口；通过增设端口，以纵向环（102）实现不同基本模块中相邻的核心层交换机之间及首尾的核心层交换机之间的连接；

当增设的端口用于连接相同基本模块的核心层交换机时，当且仅当两个核心层交换机的编号满足e₂=e₁，f₂=(f₁+1)mod(k²/4)，其中e₁、e₂为e的任意两个标记，自上而下e标记为0，1，…，m-1，f₁、f₂为f的任意两个标记，从左至右f标记为0，1，…，k²/4-1，将(e₁，f₁)号核心层交换机的k+1号端口连接(e₂，f₂)号核心层交换机的k号端口；通过增设端口，以横向环（103）实现相同基本模块内相邻的核心层交换机之间及首尾的核心层交换机之间的连接。

3.根据权利要求1所述的数据中心网络拓扑系统，其中步骤C所述的采用横向扩展，按如下步骤进行：

3a)根据网络扩建规模的需要，增加各基本模块内包括的Pod结构数量，Pod结构即是由k/2个汇聚层与k/2个边缘交换机连接构成，k是基本模块内Pod结构的数量，基本模块内包含的Pod结构数由k增至k+2n，确定n值，使网络由m行、k²/4列增变为m行、(k+2n)²/4列；

3b)根据基本模块内增加的Pod结构数量，对于各边缘层、汇聚层及中间层交换机，分别增加n个上行端口及n个下行端口，对于各核心层交换机增加2n个下行端口；

3c)在各基本模块内新增n·(k+n)个核心层交换机，每个核心层的交换机包括k+2n个下行端口及4个增设端口；在各基本模块内的边缘层、汇聚层及中间层各新增2n·(k+n)个交换机，每个交换机包括k/2+n个上行端口及k/2+n个下行端口；在各基本模块内新增n·(3k²+6nk+4n²)/2个服务器；

3d)拆除网络拓扑系统中m个基本模块的横、纵向环连接，按基本模块构建规则，将新增的交换机与服务器设备连接到各基本模块内，实现基本模块的更新，再按基本模块之间的连线规则将更新后的各基本模块连接成新的数据中心网络。

4.根据权利要求1所述的数据中心网络拓扑系统，其中步骤C所述的采用纵向扩展，按如下步骤进行：

4a)根据网络扩建规模的需要，增加网络构架中的基本模块数，基本模块数由m增至m+r，确定r值，使网络由m行、k²/4列增变为m+r行、k²/4列；

4b)在整个网络中新增r·k²/4个核心层交换机，每个核心层交换机包括k个下行端口及4个增设端口：将这些增设端口均分为两组，分别记作h_c，v_c，其中h_c标记为k和k+1，v_c标记为k+2和k+3；在整个网络中新增边缘层、汇聚层及中间层交换机各r·k²/2个，每个交换机包括k/2个上行端口及k/2个下行端口；在整个网络中新增r·k³/4个服务器；

4c)按基本模块的构建规则，将新增的交换机及服务器设备连接成r个基本模块；

4d)拆除网络拓扑系统中的m个基本模块的横、纵向环连接，按基本模块之间的连线规则，将新构建的r个基本模块与原有的m个基本模块连接成新的数据中心网络。

5.根据权利要求1所述的数据中心网络拓扑系统，其中步骤C所述的采用混合扩展，按如下步骤进行：

5a)根据网络扩建规模的需要，增加网络拓扑系统中基本模块的个数及基本模块内包括的Pod结构数，基本模块数由m增至m+r，Pod结构数由k增至k+2n，确定r及n值，使网络由m行、k²/4列增变为m+r行、(k+2n)²/4列；

5b)根据基本模块内增加的Pod结构数量，对于边缘层、汇聚层及中间层交换机，分别增加n个上行端口及n个下行端口，对于核心层交换机增加2n个下行端口；

5c)在各基本模块内新增n·(k+n)个核心层交换机，每个核心层的交换机包括k+2n个下行端口及4个增设端口；在各基本模块内的边缘层、汇聚层及中间层各新增2n·(k+n)个交换机，每个交换机包括k/2+n个上行端口及k/2+n个下行端口；在各基本模块内新增n·(3k²+6nk+4n²)/2个服务器；

5d)拆除网络拓扑系统中m个基本模块的横、纵向环连接，按基本模块连线规则，将新添的交换机与服务器设备连接到各基本模块内，实现各基本模块的更新；

5e)在整个网络中新增r·(k+2n)²/4个核心层交换机，每个核心层的交换机包括k+2n个下行端口及4个增设端口；在整个网络中新增边缘层、汇聚层及中间层交换机各r·(k+2n)²/2个，每个交换机包括k/2+n个上行端口及k/2+n个下行端口；在整个网络中新增服务器r·k³/4个；按照基本模块构建规则，将这些设备连接成r个基本模块；

5f)按基本模块之间的连接规则，将更新后的m个基本模块与新构建的r个基本模块连接成新的数据中心时网络。

Images