CN103346967B - 一种数据中心网络拓扑结构及其路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数据中心网络拓扑结构及其路由方法，包括交换机和服务器，所述每个服务器包含有两个网卡端口，所述交换机带有n个端口，一个交换机与n个服务器连接后构成拓扑结构最底层的分区结构；将n个低一层分区结构中各自的一半未被使用的服务器网卡端口分别连接到各个交换机上，构成高一层的分区结构，其中所述各个交换机上所连接的n个服务器网卡端口分别来自于n个低一层分区结构中。以此递归地逐层构成整个拓扑结构。本发明的拓扑结构具有可扩展行和高容错性的优点。

Description

一种数据中心网络拓扑结构及其路由方法

技术领域

本发明属于互联网技术领域，特别涉及一种数据中心网络拓扑结构及其路由方法。

背景技术

数据中心网络是指数据中心的网络基础设施，它通过高速的链路和交换机连接着大量的服务器，数据中心网络是数据中心硬件部分的核心基础构成，它的拓扑结构给出了数据中心所有交换机和服务器的连接关系，决定数据中心的具体组织形式。

随着信息资源数字化的发展，在工业制造、电子商务、科研教学、生活娱乐等诸多领域，每天都会产生大量的数据。数据规模越来越大，增长速度越来越快是当今时代发展的必然趋势。为了容纳海量数据，必须构建更多大规模数据中心予以支持。对于一个数据中心，在结构层面以及通信协议层面都必须拥有较好可扩展性，才能满足规模日益增长的需求。数据中心的规模日益增长也带来了一个问题：故障发生变得十分常见。因此，容错性是数据中心结构必须具备的一个基本条件。

当前，数据中心网络大多都基于树形结构，其有以下缺点：第一，高层交换机或路由器容易成为带宽瓶颈；第二，核心交换机或路由器是系统的单故障点；第三，高端通信设备的使用将导致昂贵的构建成本。因此，树形结构缺乏当前数据中心网络所必须具备的可扩展性和高容错性，在成本方面也缺乏竞争性。其它的一些结构，如并行计算领域的互联结构，其关注的更多是降低消息传递延迟和提高计算速度，并不能很好地满足数据中心可扩展、高容错的设计需求。

近年来，国内外也提出了一些数据中心网络的解决方案。如Fares等人提出了一种经过改进的树形结构Fat-Tree，该结构通过更多的廉价交换机和连线改造传统的树形结构，提高了容错性和网络带宽，但其可扩展性仍然受到交换机端口数的限制。微软亚洲研究院郭传雄等人提出的DCell，具有很高的可扩展性、容错性和网络带宽，但其使用了较为昂贵的多端口网卡（例如四端口）以及较为复杂的连线方式，会加大部署管理的难度以及导致较高的构建成本。李丹等人提出的FiConn，使用了廉价的交换机和双端口网卡服务器，但它是通过部分性能损失换取成本的降低。

发明内容

本发明的一个目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种具有可扩展性及高容错性的数据中心网络拓扑结构。

本发明的另一个目的在于提供一种上述数据中心网络拓扑结构的路由方法。

为了达到上述第一个目的，本发明采用以下技术方案实现：一种数据中心网络拓扑结构，包括交换机和服务器，所述每个服务器包含有两个网卡端口，所述交换机带有n个端口，一个交换机与n个服务器连接后构成拓扑结构最底层的分区结构；

以最底层的分区结构为基础，将n个低一层分区结构中各自的一半未被使用的服务器网卡端口分别连接到各个交换机上，构成高一层的分区结构，其中所述各个交换机上所连接的n个服务器网卡端口分别来自于n个低一层分区结构中；以此递归地逐层构成整个拓扑结构。

优选的，所述n为4，即所述交换机带有4个端口；所述拓扑结构的分区结构最低层为最底层，即0层，最高层为K层；其中K层的分区结构由n个K-1层分区结构和(n/2)^K个交换机连接组成，其中每个K-1层分区结构中(n/2)^K个未被使用的服务器网卡端口分别与(n/2)^K个交换机连接，K为大于等于1的整数。

优选的，所述数据中心网络拓扑结构中的服务器编号用元组或标识符来表示；所述元组为[a_K,a_K-1,...,a_i,...,a₁,a₀]，a₀表示服务器在最底层分区结构中的位置；a_i表示服务器位于第a_i个i-1层分区结构，其中1≤i≤K；所述标识符为一个无符号的整数，其取值范围是[0,t_K)，其中t_K为服务器的总数。

优选的，所述交换机的编号表示为(u-b_K-u,b_K-u+1,...,b_i,...,b₁,b₀)，u为交换机所属的最低层次分区结构，b₀表示交换机位于u层分区结构中的位置，其中1≤i≤K-u，b_i表示交换机位于第b_i个u+i-1层分区结构中。

为了达到上述第二个目的，本发明采用以下技术方案：一种基于权利要求1所述的数据中心网络拓扑结构的路由方法，包括以下步骤：

（1）检测当前服务器和目的服务器是否连接到同一交换机上；

若是，则将目的服务器作为下一跳服务器，路由寻找结束；

若否，则找出当前服务器和目的服务器共同所属的一个最低层次的分区结构；进入步骤（2）；

（2）在当前服务器和目的服务器共同所属的最低层次的分区结构中找到一条路径，该路径将当前服务器所属的分区结构和目的服务器所属的分区结构连接起来；该路径的一端连接当前服务器所属分区结构的服务器，将该服务器作为当前服务器的临时目的服务器；

（3）检测当前服务器和临时目的服务器是否连接到同一交换机上；

若是，则进入步骤（5）；

若否，则进入步骤（4）；

（4）找到当前服务器和临时目的服务器共同所属的一个最低层次的分区结构，在该分区结构中找到一条路径，通过该路径将当前服务器所属的分区结构和临时目的服务器所属的分区结构连接起来，其中将该路径一端连接的并且属于当前服务器所在分区结构的服务器，作为当前服务器新的临时目的服务器，然后进入步骤（3）；

（5）将临时目的服务器作为下一跳服务器，然后将下一跳服务器作为当前服务器，进入步骤（1）。

优选的，所述交换机和服务器之间的链路，按照该链路所连接的交换机所属最低层次来定义其级别，将包含所有级别链路的分区结构定义为一个广播域。

更进一步的，将包含有所有级别链路的分区结构中规模最小的分区结构定义为一个广播域。

更进一步的，每个广播域内的所有服务器共享相互之间的链路状态，所述链路状态的传播采用洪泛的方式。

更进一步的，所述链路状态为空闲状态、忙碌状态或故障状态。

优选的，广播域内的所有服务器共享相互之间的链路状态，当链路中发生故障时，与故障链路相连的服务器侦测到故障并将故障信息广播到相同广播域内的其它服务器。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

（1）本发明数据中心网络拓扑结构所支持的节点数的增长规模是指数级的，且没有上限。由于每次构建高层分区结构时，只利用每个低一层分区结构中一半的未被使用的服务器网卡端口，因此整个拓扑结构具有不饱和性，可以满足当前数据中心规模高速增长的需求，具有可扩展性的优点，适合中小规模的构建(百、千级别)，也适合超大规模的构建（百万级别）。

（2）本发明数据中心网络拓扑结构为多层次型的结构，每一层分区结构之间通过多个交换机连接，因此存在多条通信链路，分区结构之间存在冗余链路，支持故障状态下的重选路由，因此可以有效解决链路故障、服务器故障、交换机故障和机架故障，具有高容错性的优点。

（3）本发明数据中心网络拓扑结构中，服务器之间以及分区结构之间存在冗余的链路，因此本发明的路由寻找方法可支持多路上传输，有效提高了本发明数据中心网络的带宽。

（4）本发明将数据中心网络拓扑结构划分为若干个广播域，每个广播域内的所有服务器共享相互之间的链路状态，因此广播域内的路由计算采用的是最短路径算法，减少了现有技术中大范围共享链路状态所占用的网络带宽，降低了路径计算的负担。

附图说明

图1是本发明数据中心网络拓扑结构的1层分区结构图，其中交换机端口数为4。

图2是本发明数据中心网络拓扑结构的2层分区结构图，其中交换机端口数为4。

图3是本发明数据中心网络拓扑结构的K层分区结构图，其中交换机端口数为4。

图4是本发明数据中心网络拓扑结构的路由方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本实施例公开了数据中心网络拓扑结构，包括交换机和服务器，每个服务器包含有两个网卡端口，如图1所示，一个交换机带有4个端口，其中一个交换机与4个服务器连接后构成拓扑结构的最底层分区结构，即0层分区结构；此时每个服务器只是用了一个网卡端口，因此每个最底层分区结构中包括有4个网卡端口未被使用，将4个最底层分区结构中各自的2个未被使用的服务器网卡端口分别与2个交换机连接，构成一个如图1所示的1层分区结构，其中每个交换机连接的4个服务器网卡端口分别来自与4个最底层分区结构。每个最底层分区结构中的2个未被使用的网卡端口所连接的交换机是不同的，即在构造高一层分区结构时，每个低一层分区结构中的各服务器网卡端口所要连接的交换机是不同的。

以4个1层分区结构为基础，通过交换机连接构成如图2所示的2层分区结构，其中每个1层分区结构中包含有8个未被使用的服务器网卡端口，此时需要4个交换机连接4个1层分区结构中各自的4个未被使用的服务器端口，以构成2层的分区结构，其中每个交换机所连接的4个网卡端口分别来自4个1层分区结构中。以此递归，将4个低一层分区结构中各自的一半未被使用的服务器网卡端口分别连接到各个4端口的交换机上，构成高一层的分区结构，以构成如图3所示的整个拓扑结构，该拓扑结构包含有0层分区结构至K层分区结构。其中每个低一层分区结构中各服务器网卡端口所连接的交换机是不同的。即在构造高一层分区结构时，每个交换机上所连接的4个服务器网卡端口分别来自于4个低一层结构中。

本实施例拓扑结构K层的分区结构由n个K-1层分区结构和(n/2)^K个交换机连接组成，其中每个K-1层分区结构中(n/2)^K个未被使用的服务器网卡端口分别与(n/2)^K个交换机连接，其中n为每个交换机的端口数量，在本实施例中n=4。

本实施例的数据中心网络拓扑结构中按照服务器所处位置为其编号，各服务器的编号用元组或标识符来表示；

对于K层分区结构，其中所使用的元组为[a_K,a_K-1,...,a_i,...,a₁,a₀]，该元组的长度为K+1，a₀表示服务器位于最底层分区结构中的编号，本实施例中0≤a₀≤3表示服务器位于最底层分区结构中的位置；a_i表示服务器位于第a_i个i-1层分区结构，其中1≤i≤K，0≤a₀≤3；

如图1中所示的1层分区结构，按照上述元组给各服务器编号，其中K=1，因此拓扑结构中各服务器的编号为[a₁,a₀]，其中对于编号为[0，1]的服务器，a₁为0，表示服务器位于第0个最底层分区结构，a₀为1，表示该服务器位于最底层分区结构中的第1个位置上，因此编号为[0，1]表示该服务器位于这个1层拓扑结构中第0个最底层分区结构中的第1个位置上。

用于表示服务器编号的标识符为一个无符号的整数，其取值范围是[0，t_K)，其中t_K为服务器的总数。元组和标识符都是全局唯一的，而且是可以相互转换。

对于K层分区结构，本实施例数据中心网络拓扑结构中的交换机的编号表示为(u-b_K-u,b_K-u+1,...,b_i,...,b₁,b₀)，u为交换机所属的最低层次，b₀表示交换机位于u层分区结构交换机中的编号，其中1≤i≤K-u，b_i表示交换机位于第b_i个u+i-1层分区结构中。由于最底层分区结构中只有1个交换机，所以当u=0时，b₀恒等于0。如图1所示的1层分区结构中，按照上述元组给交换机编号，其中K=1，对于所处最低层为1层的交换机，其中u=1，因此这些交换机的编号为(1-b₀)，其中对于编号为(1-1)的交换机，b₀为1，表示该交换机位于1层分区结构的第1个位置上。对于所处最低层为0层（最底层）的交换机，其中u=0，因此这些交换机的编号为(0-b₁,b₀)，其中对于编号为(0-1,0)的服务器，b₀为0，b_i为1，表示该交换机位于第1个最底层分区结构的第0个位置上。

如图4所示，本实施例的数据中心网络拓扑结构的路由方法，步骤如下：

（1）检测当前服务器和目的服务器是否连接到同一交换机上；

若是，则将目的服务器作为下一跳服务器，路由寻找结束；

若否，则找出当前服务器和目的服务器共同所属的一个最低层次的分区结构，进入步骤（2）；

（2）在当前服务器和目的服务器共同所属的最低层次的分区结构中找到一条路径，该路径将当前服务器所属的分区结构和目的服务器所属的分区结构连接起来；该路径的一端连接当前服务器所属分区结构的服务器，作为当前服务器的临时目的服务器；

（3）检测当前服务器和临时目的服务器是否连接到同一交换机上；

若是，则进入步骤（5）；

若否，则进入步骤（4）；

（4）找到当前服务器和临时目的服务器共同所属的一个最低层次的分区结构，在该分区结构中找到一条路径，通过该路径将当前服务器所属的分区结构和临时目的服务器所属的分区结构连接起来，其中将该路径一端连接的并且属于当前服务器所在分区结构的服务器，作为当前服务器新的临时目的服务器，然后进入步骤（3）；

（5）将临时目的服务器作为下一跳服务器，然后将下一跳服务器作为当前服务器，进入步骤（1）。

在本实施例中，将连接当前服务器所属分区结构和目的服务器（包括临时目的服务器）所属分区结构的路径定义为（x，y），其中服务器x和服务器y连接在同一个交换机上，x表示路径（x，y）的一端连接当前服务器所属分区结构的服务器，将当前服务器的临时目的服务器设为服务器x。其中路径（x，y）所连接的当前服务器所属的分区结构和目的服务器（包括临时目的服务器）所属的分区结构为同层次的分区结构，这两个分区结构为当前服务器和目的服务器（包括临时目的服务器）共同所属的最低层次分区结构的低一层分区结构。

通过本实施例的方法找出当前服务器的下一跳服务器，再将下一跳服务器作为当前服务器，然后继续找出下一跳服务器。直到找到的下一跳服务器为本实施例的目的服务器时，完成本实施例服务器的路由寻找。

其中本实施例交换机和服务器之间连接的链路，按照该链路所连接的交换机所属最低层次来定义其级别，将最底层分区结构中的交换机与服务器之间所连接的链路定义为0级链路，将所属最低层为1层的交换机与各最底层分区结构之间所连接的链路定义为1级链路，将所属最低层为2层的交换机与各1层分区结构之间所连接的链路定义为2级链路，将包含有所有级别链路且规模最小的分区结构定义为一个广播域。

本实施例中广播域内的所有服务器共享相互之间的链路状态，链路状态的传播采用洪泛的方式，其中链路状态为空闲状态、忙碌状态或故障状态。由于广播域内各服务器共享相互之间的链路状态，因此广播域内的路由计算能够找到服务器之间最短的路径。

如图1中所示的1层分区结构，包括最底层分区结构和1层分区结构。每个最底层分区结构中，服务器分别连接了0级和1级链路，因此每一个最底层分区结构中均包含所有的链路级别，因此将每个最底层分区结构定义为一个广播域；利用本实施例的方法寻找服务器[0，1]到服务器[1，1]的路径，具体如下：

首先检测当前服务器为[0，1]和目的服务器为[1，1]是否连接到同一交换机上；经检测，它们不连接在同一交换机上；

其次找到当前服务器为[0，1]和目的服务器为[1，1]共同所属的一个最低层次的分区，在图1中可以看出，当前服务器为[0，1]和目的服务器为[1，1]属于同一个1层分区结构，但属于不同的最底层分区结构，当前服务器为[0，1]属于第0个最底层分区结构中，目的服务器为[1，1]属于第1个最底层分区结构。

然后找到连接第0个最底层分区结构和第1个最底层分区结构的路径，本实施例中可选取路径[0，2]->[1，2]，接下来将[0，2]作为临时目的服务器，检测临时目的服务器[0，2]和当前服务器为[0，1]是否连接在同一交换机上，由图2中可以看出，它们连接在同一交换机上，因此临时目的服务器[0，2]即为当前服务器为[0，1]的下一跳地址。然后以[0，2]为当前服务器，通过上述方法找到[0，2]下一跳服务器为[1，2]。再以[1，2]为当前服务器，检测到当前服务器[1，2]与目的服务器[1，1]连接在同一个交换机上，则目的服务器[1，1]作为下一跳服务器，此时路径寻找结束。

广播域内的所有服务器共享相互之间的链路状态，当链路中发生故障时，与故障链路相连的服务器侦测到故障并将故障信息广播到相同广播域内的其它服务器。然后根据链路状态重新计算出当前服务器的下一跳服务器，避开故障链路，选择通信良好的链路向外传输数据包。

假设图1中链路([0，2]，[1，2])出现故障，此时以上服务器为[0，1]到目的服务器为[1，1]的路由方法将无法完成。这时，可以改选链路[0，0]->[1，0]作为连接第0个最底层分区结构和第1个最底层分区结构的路径，即下一跳服务器改为[0，0]，故障问题就得以解决。如果冗余路径不止一条，则可以简单地使用随机算法或根据链路状态（如通信量或处理器负载）选取其中一条。

假设当前服务器为[0，1]和目的服务器为[1，1]之间出现一种更加极端的情况，服务器[0，0]和交换机(1-0)之间的链路出现故障，服务器[1，2]和交换机(1-1)之间的链路也出现故障。这时当前服务器[0，1]所在广播域和目的服务器[1，1]所在广播域之间不能够直接连接，此时本实施例路由方法可通过其它广播域来实现当前服务器为[0，1]和目的服务器为[1，1]之间的路径寻找。如图1所示，本实施例路由方法选择先将数据包通过路径[0，1]->[0，2]->[2，2]传送到主机[2，2]所在的广播域，再由[2，2]选择[2，2]->[2，0]->[1，0]->[1，1]路径。即通过第2个最底层分区结构找到第0个最底层分区结构和第1个最底层分区结构之间的路由。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种数据中心网络拓扑结构，包括交换机和服务器，其特征在于，所述每个服务器包含有两个网卡端口，所述交换机带有n个端口，一个交换机与n个服务器连接后构成拓扑结构最底层的分区结构；

将n个低一层分区结构中各自的未被使用的服务器网卡端口中的一半未被使用的服务器网卡端口分别连接到各个交换机上，构成高一层的分区结构，其中所述各个交换机上所连接的n个服务器网卡端口分别来自于n个低一层分区结构中；以此递归地逐层构成整个拓扑结构；

所述拓扑结构的分区结构最低层为最底层，即0层，最高层为K层；其中K层的分区结构由n个K-1层分区结构和(n/2)^K个交换机连接组成，其中每个K-1层分区结构中(n/2)^K个未被使用的服务器网卡端口分别与(n/2)^K个交换机连接，K为大于等于1的整数。

2.根据权利要求1所述的数据中心网络拓扑结构，其特征在于，所述n为4，即所述交换机带有4个端口。

3.根据权利要求2所述的数据中心网络拓扑结构，其特征在于，所述数据中心网络拓扑结构中的服务器编号用元组或标识符来表示；所述元组为[a_K,a_K-1,...,a_i,...,a₁,a₀]，a₀表示服务器在最底层分区结构中的位置；a_i表示服务器位于第a_i个i-1层分区结构，其中1≤i≤K；所述标识符为一个无符号的整数，其取值范围是[0,t_K)，其中t_K为服务器的总数。

4.根据权利要求2所述的数据中心网络拓扑结构，其特征在于，所述交换机的编号表示为(u-b_K-u,b_K-u+1,...,b_i,...,b₁,b₀)，u为交换机所属的最低层次分区结构，b₀表示交换机位于u层分区结构中的位置，其中1≤i≤K-u，b_i表示交换机位于第b_i个u+i-1层分区结构中。

5.一种基于权利要求1所述的数据中心网络拓扑结构的路由方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)检测当前服务器和目的服务器是否连接到同一交换机上；

若是，则将目的服务器作为下一跳服务器，路由寻找结束；

若否，则找出当前服务器和目的服务器共同所属的一个最低层次的分区结构；进入步骤(2)；

(2)在当前服务器和目的服务器共同所属的最低层次的分区结构中找到一条路径，该路径将当前服务器所属的分区结构和目的服务器所属的分区结构连接起来；该路径的一端连接当前服务器所属分区结构的服务器，将该服务器作为当前服务器的临时目的服务器；

(3)检测当前服务器和临时目的服务器是否连接到同一交换机上；

若是，则进入步骤(5)；

若否，则进入步骤(4)；

(4)找到当前服务器和临时目的服务器共同所属的一个最低层次的分区结构，在该分区结构中找到一条路径，通过该路径将当前服务器所属的分区结构和临时目的服务器所属的分区结构连接起来，其中将该路径一端连接的并且属于当前服务器所在分区结构的服务器，作为当前服务器新的临时目的服务器，然后进入步骤(3)；

(5)将临时目的服务器作为下一跳服务器，然后将下一跳服务器作为当前服务器，进入步骤(1)。

6.根据权利要求5所述的数据中心网络拓扑结构的路由方法，其特征在于，所述交换机和服务器之间的链路，按照该链路所连接的交换机所属最低层次来定义其级别，将包含所有级别链路的分区结构定义为一个广播域。

7.根据权利要求6所述的数据中心网络拓扑结构的路由方法，其特征在于，将包含有所有级别链路的分区结构中规模最小的分区结构定义为一个广播域。

8.根据权利要求6或7所述的数据中心网络拓扑结构的路由方法，其特征在于，每个广播域内的所有服务器共享相互之间的链路状态，所述链路状态的传播采用洪泛的方式。

9.根据权利要求8所述的数据中心网络拓扑结构的路由方法，其特征在于，所述链路状态为空闲状态、忙碌状态或故障状态。

10.根据权利要求8所述的数据中心网络拓扑结构的路由方法，其特征在于，当链路中发生故障时，与故障链路相连的服务器侦测到故障并将故障信息广播到相同广播域内的其它服务器。