CN105871714B - 基于交叉立方体网络构建数据中心网络容错的方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于交叉立方体网络构建数据中心网络容错的方法，属于计算机与数学交叉技术领域。本发明包括如下步骤：根据CQn的定义规则，生成CQn的关联矩阵代码，得到CQn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，之后生成错误集，在关联矩阵中剔除错误集，最终对于剩余子矩阵进行深度优先遍历，寻找所需要的路径即判断矩阵中是否存在指定长度的圈并记录一个符合条件的圈，剩余子矩阵为CQn去除错误子集后的部分。本发明采用交叉立方体网络CQn构建高效、容错、可扩展的数据中心网络，它的容错能力是n‑2，即当网络中出现n‑2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，也提高了数据中心网络的可扩展性、可靠性等拓扑性能。

Description

基于交叉立方体网络构建数据中心网络容错的方法
技术领域
本发明涉及基于交叉立方体网络构建数据中心网络容错的方法，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时，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。采用交叉立方体网络(CQn)，即CQn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：
一种基于交叉立方体网络构建数据中心网络容错的方法，步骤如下：
(1)当交叉立方体网络CQn中错误的边(|Fe|)和错误的点(|Fv|)的个数之和|Fv|+|Fe|≤n-2时，对于交叉立方体网络的维数n≥5，CQn中的任意一个正确边e都存在长为6≤l≤2n-|Fv|,l≠7的圈包含边e。由此判断交叉立方体网络CQn中是否存在长Len为(l1≤Len≤l2)的圈，包括以下三个部分：
(a)CQn的构造：根据CQn的定义规则，生成CQn的关联矩阵代码，得到CQn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；
(b)生成错误集，在关联矩阵中剔除错误集；首先对CQn中所有边和点进行标号，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}。
(c)对于剩余子矩阵进行深度优先遍历，寻找所需要的路径即判断矩阵中是否存在指定长度的圈并记录一个符合条件的圈。剩余子矩阵为CQn去除错误子集后的部分。
判断交叉立方体网络CQn中是否存在指定长Len(l1≤Len≤l2)的圈的原则：
(1)令边e的一个端点为路径起点(Vbegin)及另一个端点为路径终点(Vend)。将Vbegin和Vend放入搜索路径(path)中去，标记路径起点Vbegin已经访问，路径终点Vend即path[0]位置先不标记访问。
(2)将路径起点Vbegin作为当前访问节点Current_Vertex，即Current_Vertex＝Vbegin，开始进行深度优先遍历。同时标记当前点为已经访问节点，保证回溯时能回到正确的位置。
(3)寻找当前访问节点Current_Vertex的(下一个)没访问的邻接点Vertex，将邻接点Vertex加入到搜索路径path中去，路径长度PathLen加1；
如果当前访问节点Current_Vertex的所有邻接点Vertex都被访问过且PathLen<Len-1，则做如下回溯操作：
visited[Current_Vertex]＝false；//标记当前节点没有访问过；
PathLen--；//当前路径长度减1；
Current_Vertex＝path[PathLen-1]；//将路径中的上一个节点作为当前访问节点；
Start[Current_Vertex]++；//当前访问节点从下一个节点开始访问；
回溯结束后以新的当前访问节点Current_Vertex开始新的访问。
若直到路径起点Vbegin所有的邻接点都访问过，还未找到PathLen＝Len-1，则表示没有相应的圈。
(4)将当前访问节点Current_Vertex的邻接点Vertex作为当前访问节点Current_Vertex，即Current_Vertex＝vertex，并标记为已访问节点，重复步骤(3)；
当路径长度PathLen＝Len-1时，判断当前访问节点Current_Vertex的邻接点Vertex中是否有路径终点Vend。
如果当前访问节点Current_Vertex的邻接点Vertex中没有路径终点Vend，则将当前访问节点Current_Vertex标记为未访问节点，并将路径中上一个节点标记为当前访问节点Current_Vertex，路径长度PathLen减1，回溯到步骤(3)；
如果当前访问节点Current_Vertex的邻接点Vertex中有路径终点Vend，则该圈就是要找的圈。
当交叉立方体网络CQn中阶数不是很多时，可以通过算法得出归纳法起点。
当交叉立方体网络CQn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。
本发明研究了交叉立方体网络CQn的容错性，即当一个大型网络(可建模为交叉立方体网络CQn)在运行时出现各种问题时，它的容错能力是n-2。即当网络中出现n-2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
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
(Ⅰ)CQ5关联矩阵的构造如下所示的CQ5关联矩阵。
(Ⅱ)生成错误集。此时，错误的点是1,2,3，在关联矩阵中剔除错误集后，CQ5的关联矩阵如下所示的剔除错误集后的CQ5的关联矩阵：
(Ⅲ)对于剩余子图进行深度优先遍历(按照剔除错误集后的CQ5的关联矩阵)，对边4-10寻找长为6的圈。
(1)令Vbegin为点4和Vend为点10。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)将路径起点4作为当前访问节点Current_Vertex，开始进行深度优先遍历。同时标记当前点4为已经访问节点，保证回溯时能回到正确的位置。
(3)寻找当前访问节点Current_Vertex(点4)的没访问的邻接点Vertex(点6)，此时path中的路径长度pathLen为1。
(4)将Vertex(点6)放入路径path中，并标记Vertex已访问，然后将Vertex标记为当前访问节点Current_Vertex，回到(3)继续访问。
(3)寻找当前访问节点Current_Vertex(点6)的没访问的邻接点Vertex(点5)，将Vertex(点5)放入路径path中，此时path中的路径长度pathLen为2。
(4)将Vertex标记为当前访问节点Current_Vertex，并标记为已访问节点，回到(3)继续访问。
(3)寻找当前访问节点Current_Vertex(点5)的没访问的邻接点Vertex(点7)，将Vertex(点7)放入路径path中，此时path中的路径长度pathLen为3。
(4)将Vertex标记为当前访问节点Current_Vertex，并标记为已访问节点，回到(3)继续访问。
(3)寻找当前访问节点Current_Vertex(点7)的没访问的邻接点Vertex(点8)，将Vertex(点8)放入路径path中，此时path中的路径长度pathLen为4。
(4)将Vertex标记为当前访问节点Current_Vertex，并标记为已访问节点，回到(3)继续访问。
(3)寻找当前访问节点Current_Vertex(点8)的没访问的邻接点Vertex(点14)，将Vertex(点14)放入路径path中，此时path中的路径长度pathLen为5。
(4)此时长度为Len-1，但点10不是点14的邻接点，标记点8为当前访问节点Current_Vertex，此时path中的路径长度pathLen为4，回溯到步骤(3)。
(3)寻找当前访问节点Current_Vertex(点8)的下一个没访问的邻接点Vertex(点30)，将Vertex(点30)放入路径path中，此时path中的路径长度pathLen为5。
(4)此时pathLen长度为Len-1，但点10不是点30的邻接点，标记点8为当前访问节点Current_Vertex，此时path中的路径长度pathLen为4，回溯到步骤(3)。
(3)当前访问节点Current_Vertex(点8)的所有邻接点都被访问过，将节点8标记为没访问过节点，并标记点7为当前访问节点Current_Vertex，此时path中的路径长度pathLen为3；寻找当前访问节点Current_Vertex(点7)的没访问的邻接点Vertex(点15)，将Vertex(点15)放入路径path中，此时path中的路径长度pathLen为4。
(4)将Vertex标记为当前访问节点Current_Vertex，并标记为已访问节点，回到(3)继续访问。
(3)寻找当前访问节点Current_Vertex(点15)的没访问的邻接点Vertex(点11)，将Vertex(点11)放入路径path中，此时path中的路径长度pathLen为5。
(4)此时长度为Len-1，但点10不是点11的邻接点，标记点15为当前访问节点Current_Vertex，此时path中的路径长度pathLen为4，回溯到步骤(3)。
(3)寻找当前访问节点Current_Ver(点15)的下一个没访问的邻接点Vertex(点13)，将Vertex(点13)放入路径path中，此时path中的路径长度为5。
(4)此时pathLen长度为Len-1，但点10不是点13的邻接点，标记点15为当前访问节点Current_Vertex，此时path中的路径长度pathLen为4，回溯到步骤(3)。
(3)寻找当前访问节点Current_Vertex(点15)的下一个没访问的邻接点Vertex(点16)，将Vertex(点16)放入路径path中，此时path中的路径长度pathLen为5。
(4)此时长度为Len-1，但点10是点16的邻接点，则包含边4-10长度为6的圈已找到。
最后得到剩余子矩阵中，包含边4-10长为6的圈有4，6，5，7，15，16，10。按照以上步骤，可以得出CQ5中的任意一个正确边e，都存在长为6的圈包含这个正确边。即当交叉立方体网络CQ5中错误的边(|Fe|)和错误的点(|Fv|)的个数之和即|Fv|+|Fe|≤n-2＝3时，CQ5中的任意一个正确边e，都存在长为l(l＝6)的圈包含边e。接下来，用数学归纳法可以得出当交叉立方体网络CQn中错误的边(|Fe|)和错误的点(|Fv|)的个数之和即|Fv|+|Fe|≤n-2时，对于n≥3(n为交叉立方体网络CQn的维数)，CQn中的任意一个正确边e，都存在长为6≤l≤2n-|Fv|,l≠7的圈包含边e。

Claims (1)

1.一种基于交叉立方体网络构建数据中心网络的容错的方法，其特征在于以下步骤：
当交叉立方体网络CQn中错误的边|Fe|和错误的点|Fv|的个数之和|Fv|+|Fe|≤n-2时，对于维数n≥5的交叉立方体网络CQn，任意一个正确边e都存在长为6≤Len≤2n-|Fv|,Len≠7的圈，该圈包含边e；由此判断交叉立方体网络CQn中是否存在长为Len的圈，包括以下三个部分：
(a)CQn的构造：根据CQn的定义规则，生成CQn的关联矩阵代码，得到CQn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；
(b)生成错误集，在关联矩阵中剔除错误集；首先对CQn中所有边和点进行标号，然后生成所有可能的错误子集；
(c)对于剩余子矩阵进行深度优先遍历，寻找所需要的路径即判断矩阵中是否存在指定长度的圈并记录一个符合条件的圈；剩余子矩阵为CQn去除错误子集后的部分；
1)令边e的一个端点为路径起点Vbegin及另一个端点为路径终点Vend；将Vbegin和Vend放入搜索路径path中去，标记路径起点Vbegin已经访问，路径终点Vend即path[0]位置先不标记访问；
2)将路径起点Vbegin作为当前访问节点Current_Vertex，即Current_Vertex＝Vbegin，开始进行深度优先遍历；同时标记当前点为已经访问节点，保证回溯时能回到正确的位置；
3)寻找当前访问节点Current_Vertex的下一个没访问的邻接点Vertex，将邻接点Vertex加入到搜索路径path中去，路径长度PathLen加1；
如果当前访问节点Current_Vertex的所有邻接点Vertex都被访问过且PathLen<Len-1，则做如下回溯操作：
标记当前访问节点Current_Vertex没有访问过；
当前路径长度PathLen减1；
将路径中的上一个节点作为当前访问节点Current_Vertex；
从当前访问节点Current_Vertex的下一个节点开始访问；
回溯结束后以新的当前访问节点Current_Vertex开始新的访问；
若直到路径起点Vbegin所有的邻接点都访问过，还未找到PathLen＝Len-1，则表示没有相应的圈；
4)将当前访问节点Current_Vertex的邻接点Vertex作为当前访问节点Current_Vertex，即Current_Vertex＝vertex，并标记为已访问节点，重复步骤3)；
当路径长度PathLen＝Len-1时，判断当前访问节点Current_Vertex的邻接点Vertex中是否有路径终点Vend；
如果当前访问节点Current_Vertex的邻接点Vertex中没有路径终点Vend，则将当前访问节点Current_Vertex标记为未访问节点，并将路径中上一个节点标记为当前访问节点Current_Vertex，路径长度PathLen减1，回溯到步骤3)；
如果当前访问节点Current_Vertex的邻接点Vertex中有路径终点Vend，则该圈就是要找的圈。
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