CN108063686B - 一种基于立方体结构的数据中心网络拓扑结构及构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于立方体结构的数据中心网络拓扑结构，以立方体结构为基础，将其进行扩展为多立方体堆叠的立方体结构；单纯的立方体结构是一个正六面体，每个节点与相邻的三个节点直接相连；而通过堆叠之后立方体结构（Heap of Cube,HCube）将构成一个三维的立体空间，空间中的每个节点具有6个邻居节点（即直接相连的节点）。HCube结构本质也是一个图，图中的每个节点最大度为6。其中，图中一个节点度值节点多连接的边的数量。其使用图结构进行抽象可以很好的利用大量图理论中优秀的数学理论成果帮助设计内联网络结构。

Description

一种基于立方体结构的数据中心网络拓扑结构及构建方法
技术领域
本发明涉及一种基于立方体结构的数据中心网络拓扑结构及构建方法，属于计算机网络研究方向中数据中心网络研究领域。
背景技术
数据中心是内容分发网络、云计算服务、大数据处理的基础设施。数据中心内联网络是数据中心连接各个服务器的内部网络，其拓扑结构直接影响着数据中心的扩展性、路由效率、路由容错、资源虚拟化等性能指标。计算机网络方向中内联网络的相关研究更多的是针对多处理机系统、并行计算系统网络的研究。其研究成果在网络的规模和扩展性方面受到一定的限制，并且不支持设计高效、容错的节点间路由算法。内容分发网络、云计算、大数据等服务的应用及发展恰恰要求作为其基础设施的数据中心支持相应的特性。一个设计良好的内联网络拓扑结构可以从网络结构角度高效解决网络容量、动态扩展、高效路由和容错路由等问题。为此，专门研究、设计符合需求的数据中心内联网络拓扑结构对于支撑内容分发网络、云计算和大数据处理等服务，提升服务器质量具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于立方体结构的数据中心网络拓扑结构，是一种专门适用于构建数据中心的内联网络结构，使内联网络的结构能够支持数据中心规模的扩展和网络内节点间高效通信的特性，数据中心内联网络可以抽象为一个图模型，网络中的路由设备和服务器抽象为图中的节点；路由设备和服务器等设备之间的物理连接抽象为图中的边。因此，数据中心内联网络的设计问题可以转换为特定图结构的设计问题。通过将数据中心的内联网络结构抽象为一个图结构，实现将复杂问题简单化，剥离出问题的本质。在数据中心内联网络结构设计中，我们关心的是服务器和路由器间的连接规则。同时，使用图结构进行抽象可以很好的利用大量图理论中优秀的数学理论成果帮助设计内联网络结构。
本发明的技术方案是这样实现的：一种基于立方体结构的数据中心网络拓扑结构，其特征在于：以立方体结构为基础，将其进行扩展为多立方体堆叠的立方体结构；单纯的立方体结构是一个正六面体，每个节点与相邻的三个节点直接相连；而通过堆叠之后立方体结构(Heap of Cube,HCube)将构成一个三维的立体空间，空间中的每个节点具有6个邻居节点(即直接相连的节点)；HCube结构中每个节点被赋予一个逻辑地址，该逻辑地址是一个三元组(x1,x2,x3)，其中xi(i＝1,2,3)是整数,对于结构中任意相邻的两个节点u和v，两个节点的逻辑地址中有且只有一位不同，两个不相同位的差的绝对值为1,若一个节点的逻辑地址为(x1,x2,x3)，则其邻居节点的地址是：
Figure BDA0001503338010000021
在此基础上，按照HCube结构连接路由设备，构造数据中心的路由设备网络；对于每个路由设备，其所有的通信接口分为两个部分,第一部分，称为P端口，共6个接口，用于连接其他路由设备，构造路由设备网络；第二部分，称为S端口，路由器除P端口外的所有余接口，用于连接多个服务器；
HCube结构中的每台服务器也将被赋予一个逻辑地址，该逻辑地址是一个四元组(x1,x2,x3，a)，其中xi(i＝1,2,3)是整数，a是正整数,这里，服务器的逻辑地址分为两部分，第一部分有四元组中的前三位组成，标识了当前服务器所属的路由器的地址，由于HCube网络结构是一个基于立方体构建的三维结构，因此每个服务器作为网络中的一个节点在网络结构的三个维度上分别使用一个整数xi标识其三个维度上的位置；第二部分的标识符a是当前服务器在该路由器所连接的所有服务器中的序号，每个路由器中使用其S端口连接服务器，为了区分同一路由器连接的不同服务器，使用a标识一个服务器，由此可知a的最大值是路由器S端口的数量；
具体按以下步骤完成：
步骤1、选择路由器规格,HCube网络结构中全部使用相同规格的路由器，所以一旦选定路由器设备则可以确定路由器设备端口数量，P端口数量和S端口数量等参数,令n表示所选路由器的端口数量，P端口数量为6，S端口数量为(n-6)。决定需要构建的数据中心的总体规模，令N为设计包含的服务器的总数量。则所选的路由器的数量
Figure BDA0001503338010000031
步骤2、将每台路由器的S端口都分别与一台服务器连接，即每台路由器直接连接(n-6)台服务器，并将每台服务器编号为a∈[1,(n-6)],当未连接的服务器不足(n-6)时，若最后一台路由器与未连接服务器直接相连,并将每台服务器从1开始顺序编号,将路由器的6个P端口分别编号为：1，2，3，4，5，6。
步骤3、取第一台路由器，令其逻辑地址为(0,0,0)；
步骤4、取一台未编制的路由器，使用u表示这台路由器。对于已经连接入HCube结构中的每一台已经编址的且P端口仍然有空闲的路由器，计算这些路由器地址的和值
Figure BDA0001503338010000032
若为计算所得的所有地址和值H中最小值为
Figure BDA0001503338010000033
使用v表示地址和值为
Figure BDA0001503338010000034
的路由器，则将路由器u与的路由器v相连,若计算所得的所有地址和值H中有多个路由器的地址和值为
Figure BDA0001503338010000035
则随机选择一个作为路由v与路由器u相连；
步骤5、若路由器v的逻辑地址为(x1,x2,x3)，对逻辑地址中的各位标识符按升序重新排列，若两个标识符的值相同，则小标值按照下角标值升序排列,按照升序顺序在重排后的地址表示符序列中选取一个标识符xi，并判断路由器v的P端口中编号为(2i-1)和2i是否空闲，通过，不断的从重排序列中选取标识符并根据其下标计算相应P端口的编号直到选取xk后获得一个空闲的端口，这时若(2k-1)端口空闲，则将路由器逻辑地址中xk修正为xk+1并赋予路由器u，路由器u和v分别使用自己的编号为2k和(2k-1)的P端口相互连接起来。否则若2k端口空闲，则将路由器逻辑地址中xk修正为xk-1并赋予路由器u，路由器u和v分别使用自己的编号为(2k-1)和2k的P端口相互连接起来；
步骤6、路由器u依据自己的逻辑地址生产邻居路由器地址集合,并检测当前已经编址的路由器集合中是否包含了自己的邻居路由器,若邻居路由器还未产生则不处理,若邻居路由器已经连接入网络，则需要将路由器u与已添加的邻居路由器相连。使用w表示一个u的已经连接如网络但还没有与u相连的邻居路由器,路由器u和w的地址可以分别表示为(u1,u2,u3)和(w1,w2,w3),不是一般性的假设u和w的地址中第l(l＝1,2,3)位不同，则显然有|ul-wl|＝1，l＝1,2,3。如果ul>wl,则路由器u的编号为(2l-1)的P端口与路由器v的编号为2l的P端口直接相联；否则ul<wl,则路由器u的编号为2l的P端口与路由器v的编号为(2l-1)的P端口直接相联；
步骤7、重复上述步骤4～6，直至将所有的路由器编址并连入网络。
本发明的积极效果如下：
1.本发明将数据中心内联网络拓扑结构的设计问题抽象为图的设计问题，为解决数据中心内联网络设计问题提供了更多的理论基础。
2.本发明中提出的数据中心内联网络结构，具有持续扩大规模的能力。同时，网络规模的扩展是动态的，即向网络中添加新的服务器时不影响原有网络的物理连接，且运行中的服务器不需要停止。
3.本发明中提出的数据中心内联网络结构，路由器设备和服务器设备均被赋予一个逻辑地址。依据逻辑地址空间的定义，可以实现服务器间的自适应路由算法。同时，路由器设备间的多路径属性可以支持服务器间的容错路由。
附图说明
图1为本发明的待完成的HCube网络结构。
图2为本发明的(1,0,0)路由器扩展出一个新的路由器。
图3为本发明的完成(1,1,0)路由器与网络的连接。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明中的提出的数据中心内联网络结构的构造方作进一步的说明。一种基于立方体结构的数据中心网络拓扑结构，其特征在于：以立方体结构为基础，将其进行扩展为多立方体堆叠的立方体结构；单纯的立方体结构是一个正六面体，每个节点与相邻的三个节点直接相连。而通过堆叠之后立方体结构(Heap of Cube,HCube)将构成一个三维的立体空间，空间中的每个节点具有6个邻居节点(即直接相连的节点)。HCube结构本质也是一个图，图中的每个节点最大度为6。其中，图中一个节点度值节点多连接的边的数量。
HCube结构中每个节点被赋予一个逻辑地址，该逻辑地址是一个三元组(x1,x2,x3)，其中xi(i＝1,2,3)是整数。对于结构中任意相邻的两个节点u和v，两个节点的逻辑地址中有且只有一位不同，两个不相同位的差的绝对值为1。若一个节点的逻辑地址为(x1,x2,x3)，则其邻居节点的地址是：
Figure BDA0001503338010000051
(地址的后两个节点是一样的对吗)
在此基础上，按照HCube结构连接路由设备，构造数据中心的路由设备网络。对于每个路由设备，其所有的通信接口分为两个部分。第一部分，称为P端口，共6个接口，用于连接其他路由设备，构造路由设备网络；第二部分，称为S端口，路由器除P端口外的所有余接口，用于连接多个服务器。
HCube结构中的每台服务器也将被赋予一个逻辑地址，该逻辑地址是一个四元组(x1,x2,x3，a)，其中xi(i＝1,2,3)是整数，a是正整数。这里，服务器的逻辑地址分为两部分，第一部分有四元组中的前三位组成，标识了当前服务器所属的路由器的地址，由于HCube网络结构是一个基于立方体构建的三维结构，因此每个服务器作为网络中的一个节点在网络结构的三个维度上分别使用一个整数xi标识其三个维度上的位置；第二部分的标识符a是当前服务器在该路由器所连接的所有服务器中的序号，每个路由器中使用其S端口连接服务器，为了区分同一路由器连接的不同服务器，使用a标识一个服务器，由此可知a的最大值是路由器S端口的数量。
具体按以下步骤完成：
步骤1、选择路由器规格,HCube网络结构中全部使用相同规格的路由器，所以一旦选定路由器设备则可以确定路由器设备端口数量，P端口数量和S端口数量等参数。令n表示所选路由器的端口数量，P端口数量为6，S端口数量为(n-6)。决定需要构建的数据中心的总体规模，令N为设计包含的服务器的总数量。则所选的路由器的数量
Figure BDA0001503338010000052
步骤2、将每台路由器的S端口都分别与一台服务器连接，即每台路由器直接连接(n-6)台服务器，并将每台服务器编号为a∈[1,(n-6)]。当未连接的服务器不足(n-6)时，若最后一台路由器与未连接服务器直接相连,并将每台服务器从1开始顺序编号。将路由器的6个P端口分别编号为：1，2，3，4，5，6。
步骤3、取第一台路由器，令其逻辑地址为(0,0,0)。
步骤4、取一台未编制的路由器，使用u表示这台路由器。对于已经连接入HCube结构中的每一台已经编址的且P端口仍然有空闲的路由器，计算这些路由器地址的和值
Figure BDA0001503338010000061
若为计算所得的所有地址和值H中最小值为
Figure BDA0001503338010000062
使用v表示地址和值为
Figure BDA0001503338010000063
的路由器，则将路由器u与的路由器v相连。若计算所得的所有地址和值H中有多个路由器的地址和值为
Figure BDA0001503338010000064
则随机选择一个作为路由v与路由器u相连。
步骤5、若路由器v的逻辑地址为(x1,x2,x3)，对逻辑地址中的各位标识符按升序重新排列，若两个标识符的值相同，则小标值按照下角标值升序排列。按照升序顺序在重排后的地址表示符序列中选取一个标识符xi，并判断路由器v的P端口中编号为(2i-1)和2i是否空闲，通过，不断的从重排序列中选取标识符并根据其下标计算相应P端口的编号直到选取xk后获得一个空闲的端口，这时若(2k-1)端口空闲，则将路由器逻辑地址中xk修正为xk+1并赋予路由器u，路由器u和v分别使用自己的编号为2k和(2k-1)的P端口相互连接起来。否则若2k端口空闲，则将路由器逻辑地址中xk修正为xk-1并赋予路由器u，路由器u和v分别使用自己的编号为(2k-1)和2k的P端口相互连接起来。
步骤6、路由器u依据自己的逻辑地址生产邻居路由器地址集合。并检测当前已经编址的路由器集合中是否包含了自己的邻居路由器。若邻居路由器还未产生则不处理。若邻居路由器已经连接入网络，则需要将路由器u与已添加的邻居路由器相连。使用w表示一个u的已经连接如网络但还没有与u相连的邻居路由器。路由器u和w的地址可以分别表示为(u1,u2,u3)和(w1,w2,w3)。不是一般性的假设u和w的地址中第l(l＝1,2,3)位不同，则显然有|ul-wl|＝1，l＝1,2,3。如果ul>wl,则路由器u的编号为(2l-1)的P端口与路由器v的编号为2l的P端口直接相联；否则ul<wl,则路由器u的编号为2l的P端口与路由器v的编号为(2l-1)的P端口直接相联。
步骤7、重复上述步骤4～6，直至将所有的路由器编址并连入网络。
上述具体实现方法中的步骤1～3是构建网络的准备工作，在这里我们不再进一步说明。下面的说明将从一个未完成构造的HCube网络结构开始展示如果将一个带连接的路由器添加到网络中。同时，由于服务器与路由器采用直连的方式连接，所有在下面的图示中我们省略了服务器的表示部分。这里我们将以展示路由器间如何连接成网络为主。
首先，如图1所示的一个未完全构造的HCube网络结构需要继续添加路由器设备。图1中实心圆点代表网络中的路由器，三元组表示其逻辑地址。圆点间的连线表示路由器间的线路连接。
现在我们向如图1所示的网络中加入一个新的路由器。依据步骤4，计算除(0,0,0)路由器之外的所有路由器地址的H值。(0,0,0)路由器的所有P端口均处于非空闲状态，所以不计算其H值。实际从图1中可以发现(0,0,0)路由器已经与所有6个邻近路由器连接所以不需要也不可能连接更多的路由器。计算后，得
Figure BDA0001503338010000072
且所有参与计算的路由器的H值均为1，所有我们随机选择节点(1,0,0)进行扩展。
执行步骤5，对地址标识符重排序得{x2＝0,x3＝0,x1＝1}。则取x2＝0，k＝2，检测编号为2k-1＝3的P端口是否空闲。当前(1,0,0)路由器只有编号为1的P端口被使用，所有3号P端口时空闲的。因此，令新添加的路由器地址为(1,1,0)，且通过标号4的P端口与(1,0,0)路由器3号P端口相连，如图2所示。
执行步骤6，检测路由器(1,1,0)的邻近节点是否已经出现在网络中。(1,1,0)路由器的邻居路由器逻辑地址包括：
Figure BDA0001503338010000071
通过与网络中已添加的路由器的逻辑地址列表对比，可以得到(1,1,0)路由器的邻居路由器(0,1,0)和(1,0,0)已经存在，需要与已存在的邻居建立连接。其中，(1,1,0)路由器是从(1,0,0)路由器扩展出来的，两者之间的连接已建立；因此仅需进一步建立(1,1,0)路由器与(0,1,0)路由器之间的连接。图3中黑色实线表示需要建立的连接。其他在网络中尚不存在的邻居路由器，如图3中虚线圆圈所示，(1,1,0)路由器不需要与其建立连接。图3中(1,1,0)路由器发出的虚线连接标识了这些待扩展的连接。当虚线圆圈所代表的路由器被添加到网络中时，构建方法根据情况将这些连接建立起来。

Claims (2)

1.一种基于立方体结构的数据中心网络拓扑结构，其特征在于：以立方体结构为基础，将其进行扩展为多立方体堆叠的立方体结构；单纯的立方体结构是一个正六面体，每个节点与相邻的三个节点直接相连；而通过堆叠之后立方体结构(Heap of Cube,HCube)将构成一个三维的立体空间，空间中的每个节点具有6个邻居节点即直接相连的节点；HCube结构中每个节点被赋予一个逻辑地址，该逻辑地址是一个三元组(x1,x2,x3)，其中xi(i＝1,2,3)是整数,对于结构中任意相邻的两个节点u和v，两个节点的逻辑地址中有且只有一位不同，两个不相同位的差的绝对值为1,若一个节点的逻辑地址为(x1,x2,x3)，则其邻居节点的地址是：
在此基础上，按照HCube结构连接路由设备，构造数据中心的路由设备网络；对于每个路由设备，其所有的通信接口分为两个部分,第一部分，称为P端口，共6个接口，用于连接其他路由设备，构造路由设备网络；第二部分，称为S端口，路由器除P端口外的所有余接口，用于连接多个服务器；
HCube结构中的每台服务器也将被赋予一个逻辑地址，该逻辑地址是一个四元组(x1,x2,x3，a)，其中xi(i＝1,2,3)是整数，a是正整数,这里，服务器的逻辑地址分为两部分，第一部分有四元组中的前三位组成，标识了当前服务器所属的路由器的地址，由于HCube网络结构是一个基于立方体构建的三维结构，因此每个服务器作为网络中的一个节点在网络结构的三个维度上分别使用一个整数xi标识其三个维度上的位置；第二部分的标识符a是当前服务器在该路由器所连接的所有服务器中的序号，每个路由器中使用其S端口连接服务器，为了区分同一路由器连接的不同服务器，使用a标识一个服务器，由此可知a的最大值是路由器S端口的数量。
2.根据权利要求1所述的一种基于立方体结构的数据中心网络拓扑结构，其特征在于所述的数据中心网络拓扑结构构建按以下步骤完成：
步骤1、选择路由器规格,HCube网络结构中全部使用相同规格的路由器，所以一旦选定路由器设备则可以确定路由器设备端口数量，P端口数量和S端口数量参数,令n表示所选路由器的端口数量，P端口数量为6，S端口数量为(n-6)，决定需要构建的数据中心的总体规模，令N为设计包含的服务器的总数量，则所选的路由器的数量
步骤2、将每台路由器的S端口都分别与一台服务器连接，即每台路由器直接连接(n-6)台服务器，并将每台服务器编号为a∈[1,(n-6)],当未连接的服务器不足(n-6)时，若最后一台路由器与未连接服务器直接相连,并将每台服务器从1开始顺序编号,将路由器的6个P端口分别编号为：1，2，3，4，5，6；
步骤3、取第一台路由器，令其逻辑地址为(0,0,0)；
步骤4、取一台未编地址的路由器，使用u表示这台路由器,对于已经连接入HCube结构中的每一台路由器，如果该路由器已经编址且P端口仍然有空闲，为HCube中符合该条件的路由器计算其地址的和值，计算公式为：计算后，将得到的所有地址和值H中的最小值设为使用v表示具有地址和值为的路由器，则将路由器u与路由器v相连,若计算所得到的所有地址和值H中有多个路由器的地址和值为则随机选择一个路由器作为路由器v与路由器u相连；
步骤5、上一步中具有地址和值为路由器v的逻辑地址为(x1,x2,x3)，对(x1,x2,x3)中的3个标识符按其值的升序重新排列，若两个标识符的值相同，则根据标识符的下角标值升序排列,按照升序顺序在重排后的地址表示符序列中选取一个标识符xi，并判断路由器v的所有P类型端口中编号为(2k-1)和2k是否空闲；若(2k-1)端口空闲，则将路由器v的逻辑地址为(x1,x2,x3)中xk修正为xk+1，并将新的逻辑地址赋予路由器u，作为u的逻辑地址；路由器u和v分别使用自己的编号为2k和(2k-1)的P类型端口相互连接起来；否则若2k端口空闲，则将路由v的逻辑地址为(x1,x2,x3)中xk修正为xk-1，并将新的逻辑地址赋予路由器u，作为u的逻辑地址，路由器u和v分别使用自己的编号为(2k-1)和2k的P类型端口相互连接起来；在后续的连接操作中，可以通过不断的从重排序列中选取标识符，并根据其下标计算相应P类型端口的编号来获得一个空闲的端口，完成新增路由器的接入；
步骤6、路由器u依据自己的逻辑地址生产邻居路由器地址集合,并检测当前已经编址的路由器集合中是否包含了自己的邻居路由器,若邻居路由器还未产生则不处理,若邻居路由器已经连接入网络，则需要将路由器u与已添加的邻居路由器相连；使用w表示一个u的已经连接如网络但还没有与u相连的邻居路由器,路由器u和w的地址可以分别表示为(u1,u2,u3)和(w1,w2,w3),假设u和w的地址中第l(l＝1,2,3)位不同，则显然有|ul-wl|＝1，l＝1,2,3；如果ul>wl,则路由器u的编号为(2l-1)的P端口与路由器v的编号为2l的P端口直接相联；否则ul<wl,则路由器u的编号为2l的P端口与路由器v的编号为(2l-1)的P端口直接相联；
步骤7、重复上述步骤4～6，直至将所有的路由器编址并连入网络。
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