CN104954164A

CN104954164A - 一种数据中心网络结构容错的方法

Info

Publication number: CN104954164A
Application number: CN201510158539.4A
Authority: CN
Inventors: 徐喜荣; 黄亚真; 张鹏
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2015-04-03
Filing date: 2015-04-03
Publication date: 2015-09-30
Anticipated expiration: 2035-04-03
Also published as: CN104954164B

Abstract

本发明提供了一种数据中心网络结构容错的方法，属于计算机与数学交叉技术领域。通过一种圈嵌入算法结合数学归纳法判断图G中是否存在长Len为的圈，包括三个部分：根据LTQ_n的定义规则，生成LTQ_n的关联矩阵代码，得到LTQ_n每个顶点的邻接点，将顶点间的邻接关系保存在关联矩阵中；对LTQ_n中m条边进行标号，然后生成所有可能的错误子集；对于剩余子图进行深度优先遍历，寻找所需要的路径即判断图中是否存在指定长度的圈并记录一个符合条件的圈。本发明研究了局部纽立方体网络LTQ_n的容错性，即当一个大型网络在运行时出现各种问题时，它的容错能力是n-3。即当网络中出现n-3个错误时，仍能保证系统的剩余部分能够正常运行。提高了系统的容错能力。

Description

一种数据中心网络结构容错的方法

技术领域

本发明涉及一种数据中心网络结构容错的方法，属于计算机与数学交叉技术领域。

背景技术

近年来，随着云计算和数据密集型计算机技术的飞速发展，数据中心网络作为底层基础设施发挥着越来越重要的作用，成为云计算领域的研究热点。数据中心网络向上层的分布式文件系统、结构化数据和虚拟化技术等提供可靠、高效的数据通信、计算和存储服务。一个大型系统在日常运行中，难免会出现各种错误，因此对于好的网络，不仅要在一切正常的情况下能保证系统的正常运行，而且要在网络出现一定错误后，仍能保证系统剩余部分能正常运行。因此在衡量一个网络是，还要考虑网络拓扑结构的容错性。例如容错泛圈性、容错泛连通性等。在数据中心网络中，由于组成设备多、链路连接复杂、网络规模较大，因此单设备或单条链路故障发生的频次比普通的网络要多，是否具有较好的容错性是评价数据中心很重要的标准。

根据目前的研究发展现状来看，适用于数据中心网络的网络结构大体分为三种类型：以交换机为中心的网络，以服务器为中心的网络和不规则的网络。随着数据中心的不断发展，传统的数据中心网络，即树形结构、Fat-tree网络结构等，逐渐暴露出越来越多的缺陷和不足。如树形结构一般包含两至三层的网络设备，分别为核心层，聚合层和边缘层。其中服务器与底层的边缘层交换机连接，边缘层交换机与聚合层路由器连接，聚合层路由器再与核心层路由设备连接。如果聚合层网络设备出现故障，将会导致失效设备的下层结点与其他结点失去连接，因此这种结构存在明显的单点失效问题，网络容错性较差。Fat-tree 网络结构在聚合层引入大量的冗余交换机，因此经济性问题并没有得到很好地解决。

发明内容

为了克服上述的不足，满足数据中心新的设计要求，提高数据中心网络的可扩展性、可靠性等拓扑性能，本发明提供了一种数据中心网络结构容错的方法。采用超立方体网络的变形局部纽立方体网络(LTQ_n)，即LTQ_n构建高效、容错、可扩展的数据中心网络。它是递归结构形式，而且具有在节点规模、路径长度和容错性上的良好性质。

本发明的技术方案是：一种数据中心网络结构容错的方法，步骤如下：

本发明提供了一种圈嵌入算法结合数学归纳法得出：当局部纽立方体网络中错误的边(|F_e|)和错误的点(|F_v|)的个数之和即|F_v|+|F_e|≤n-3时，对于n≥3(n为局部纽立方体网络的维数)，LTQ_n中的任意一个正确点v，都存在长为6≤l≤2ⁿ-|F_v|的圈包含点v。

通过上述方法判断G中是否存在长Len为(l₁≤Len≤l₂)的圈，包括三个部分：(Ⅰ)LTQ_n图的构造：根据LTQ_n的定义规则，生成LTQ_n的关联矩阵代码，得到LTQ_n每个顶点的邻接点，将顶点间的邻接关系保存在关联矩阵(Incidence_matrix)中；(Ⅱ)生成错误集，在关联矩阵中剔除错误集；首先对LTQ_n中m条边进行标号，然后生成所有可能的错误子集，如6条边中错2条边的所有可能错误子集是{1,2}{1,3}{1,4}{1,5}{1,6}{2,3}{2,4}，{2,5}{2,6}{3,4}{3,5}{3,6}{4,5}{4,6}{5,6}；(Ⅲ)对于剩余子图例进行深度优先遍历，寻找所需要的路径即判断图例中是否存在指定长度的圈并记录一个符合条件的圈。剩余子图例为LTQ_n去除错误子集后的部分。

判断G中是否存在指定长Len(l₁≤Len≤l₂)的圈的原则：

(1)令路径起点(Vbegin)及路径终点(Vend)均为LTQ_n图的点v。将Vbegin和Vend放入搜索路径(path)中去，标记路径终点Vend已经访问，路径起点Vbegin即path[0]位置先不标记访问。

(2)将路径终点Vend作为当前访问节点Current_Ver，开始进行深度优先遍历。同时标记当前点已经访问了的邻接点，保证回溯时能回到正确的位置。

(3)寻找当前访问节点Current_Ver的没访问的邻接点Ver加入到搜索路径path中去，如果当前path中的路径长度大于当前已经找到的最大路径长度MaxLen，或者是没有找到相应的邻接点，则进入(6)直接回溯。否则判断Ver是否等于path[0]。如果不等于path[0]进入(4)，如果等于path[0]则进入(5)，

(4)将Ver放入到路径path中，并标记Ver已访问，然后将Ver标记为当前访问节点Current_Ver，回到(3)继续访问。

(5)判断当前寻找到的路径长度PathLen是否是要求的路径长度(Len)，如果PathLen＝＝Len，则将Len[PathLen]标记为true，表示长度为PathLen的路径已经找到。并判断是否需要修改目前已经找到的最大路径长度，如果当前已经找到的最大路径长度MaxLen等于需要找的最小路径就直接结束，否则继续寻找当前节点的下一个邻接点。

(6)如果没有找到符合要求的当前访问节点Current_Ver的邻接点，或当前寻找到的路径长度PathLen大于当前已经找到的最大路径长度MaxLen，则开始回溯到(5)；

回溯结束后以新的当前访问节点Current_Ver回到(3)开始新的访问。直到指定路径全部搜索到。

当G中阶数不是很多时，可以通过算法得出归纳法起点。

当G中阶数很大时，利用归纳法得出结论，主要思路是分情形讨论。

本发明研究了局部纽立方体网络LTQ_n的容错性，即当一个大型网络(可建模为局部纽立方体网络LTQ_n)在运行时出现各种问题时，它的容错能力是n-3。即当网络中出现n-3个错误时，仍能保证系统的剩余部分能够正常运行。提高了系统的容错能力。

具体实施方式

以下结合技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

(Ⅰ)LTQ₄关联矩阵的构造如下所示。

(Ⅱ)生成错误集。此时，错误是的点1，在关联矩阵中剔除错误集后，LTQ₄的关联矩阵如下所示。

(Ⅲ)对于剩余子图进行深度优先遍历，对点5寻找长为6的圈。

(1)令Vbegin和Vend均为点5。将Vbegin和Vend放入搜索路径(path)中去，路径终点Vend和路径起点Vbegin都先不标记访问。

(2)将路径终点5作为当前访问节点Current_Ver，开始进行深度优先遍历。同时标记当前点已经访问了的邻接点，保证回溯时能回到正确的位置。

(3)寻找当前访问节点Current_Ver(点5)的没访问的邻接点Ver(点9)，此时path中的路径长度为1，且Ver(点9)不是path[0](点5)，

(4)将Ver(点9)放入路径path中，并标记Ver已访问，然后将Ver标记为当前访问节点Current_Ver，回到(3)继续访问。

(3)寻找当前访问节点Current_Ver(点9)的没访问的邻接点Ver(点11)，此时path中的路径长度为2，且Ver(点11)不是path[0](点5)，

(4)将Ver(点11)放入路径path中，并标记Ver已访问，然后将Ver标记为当前访问节点Current_Ver，回到(3)继续访问。

(3)寻找当前访问节点Current_Ver(点11)的没访问的邻接点Ver(点7)，此时path中的路径长度为3，且Ver(点7)不是path[0](点5)，

(4)将Ver(点7)放入路径path中，并标记Ver已访问，然后将Ver标记为当前访问节点Current_Ver，回到(3)继续访问。

(3)寻找当前访问节点Current_Ver(点7)的没访问的邻接点Ver(点6)，此时path中的路径长度为4，且Ver(点6)不是path[0](点5)，

(4)将Ver(点6)放入路径path中，并标记Ver已访问，然后将Ver标记为当前访问节点Current_Ver，回到(3)继续访问。

(3)寻找当前访问节点Current_Ver(点6)的没访问的邻接点Ver(点4)，此时path中的路径长度为5，且Ver(点4)不是path[0](点5)，

(4)将Ver(点4)放入路径path中，并标记Ver已访问，然后将Ver标记为当前访问节点Current_Ver，回到(3)继续访问。

(3)寻找当前访问节点Current_Ver(点4)的没访问的邻接点Ver(点5)，此时path中的路径长度为6，且Ver(点5)是path[0](点5)，

(5)判断当前寻找到的路径path的长度6等于要求的路径长度6，表示长度为6的路径已经找到。

最后得到剩余子图中，点5长为6的圈有5，4，6，7，11，9，5。按照以上步骤，可以得出LTQ₄中的任意一个正确点v，都存在长为6的圈包含这个正确点。即当局部纽立方体网络LTQ₄中错误的边(|F_e|)和错误的点(|F_v|)的个数之和即|F_v|+|F_e|≤n-3＝1时，LTQ₄中的任意一个正确点v，都存在长为l(l＝6)的圈包含点v。接下来，用数学归纳法可以得出当局部纽立方体网络中错误的边(|F_e|)和错误的点(|F_v|)的个数之和即|F_v|+|F_e|≤n-3时，对于n≥3(n为局部纽立方体网络的维数)，LTQ_n中的任意一个正确点v，都存在长为6≤l≤2ⁿ-|F_v|的圈包含点v。

Claims

1.一种数据中心网络结构容错的方法，其特征在于，步骤如下：

通过一种圈嵌入算法结合数学归纳法判断图G中是否存在长Len为l₁≤Len≤l₂的圈：当局部纽立方体网络中错误的边|F_e|和错误的点|F_v|的个数之和即|F_v|+|F_e|≤n-3时，对于n≥3，n为局部纽立方体网络的维数，LTQ_n中的任意一个正确点v，都存在长为6≤l≤2ⁿ-|F_v|的圈包含点v；

通过上述方法判断图G中是否存在长Len为l₁≤Len≤l₂的圈，包括三个部分：(Ⅰ)LTQ_n图的构造：根据LTQ_n的定义规则，生成LTQ_n的关联矩阵代码，得到LTQ_n每个顶点的邻接点，将顶点间的邻接关系保存在关联矩阵中；(Ⅱ)生成错误集，并在关联矩阵中剔除错误集：对LTQ_n中m条边进行标号，然后生成所有可能的错误子集；(Ⅲ)对于剩余子图进行深度优先遍历，寻找所需要的路径即判断图中是否存在指定长度的圈并记录符合条件的圈；所述的剩余子图为LTQ_n去除错误子集后的部分；

其中，判断图G中是否存在指定长Len为l₁≤Len≤l₂的圈原则：

(1)令路径起点Vbegin及路径终点Vend均为LTQ_n图的点v；将路径起点Vbegin和路径终点Vend放入搜索路径path中去，标记路径终点Vend已经访问，路径起点Vbegin即path[0]位置不标记访问；

(2)将路径终点Vend作为当前访问节点Current_Ver，开始进行深度优先遍历，同时标记当前点已经访问了的邻接点，保证回溯时能回到正确的位置；

(3)寻找当前访问节点Current_Ver的没访问的邻接点Ver，将没访问的邻接点Ver加入到搜索路径path中去，如果当前搜索路径path中的路径长度大于当前已经找到的最大路径长度MaxLen，或者没有找到相应的邻接点，则进入步骤(6)直接回溯；否则判断没访问的邻接点Ver是否等于path[0]，如果不等于path[0]进入步骤(4)，如果等于path[0]则进入步骤(5)；

(4)将没访问的邻接点Ver放入到路径path中，并标记没访问的邻接点Ver已访问，然后将没访问的邻接点Ver标记为当前访问节点Current_Ver，回到步骤(3)继续访问；

(5)判断当前寻找到的路径长度PathLen是否是要求的路径长度Len，如果PathLen＝＝Len，则将Len[PathLen]标记为true，表示长度为PathLen的路径已经找到；并判断是否需要修改目前已经找到的最大路径长度，如果当前已经找到的最大路径长度MaxLen等于需要找的最小路径，直接结束，否则继续寻找当前节点的下一个邻接点；

(6)如果没有找到符合要求的当前访问节点Current_Ver的邻接点，或当前寻找到的路径长度PathLen大于当前已经找到的最大路径长度MaxLen，则开始回溯到步骤(5)；

回溯结束后以新的当前访问节点Current_Ver回到步骤(3)开始新的访问，直到指定路径全部搜索到。