CN108768864A - 一种易拓展高容错的数据中心网络拓扑结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种易拓展高容错的数据中心网络拓扑结构，数据中心网络拓扑结构包括N个基本拓扑单元，基本拓扑单元包括四个六接口交换机和四个八接口交换机，两个六接口交换机和两个八接口交换机构成第一正方形，剩余两个六接口交换机与剩余两个八接口交换机构成第二正方形，第一正方形与第二正方形叠层设置，第一正方形与第二正方形大小一致，接口数量相同的交换机在第一正方形和第二正方形中互为对角设置，且第一正方形与第二正方形中对应角上的具有相同接口的交换机在同一垂直线上；第一正方形上的八接口交换机分别与对应正下方和对角的第二正方形上的八接口交换机连接形成基本拓扑单元；本发明拓展性好，容错性高，吞吐量高，负载均衡性强。

Description

一种易拓展高容错的数据中心网络拓扑结构

技术领域

本发明属于计算机通信网络技术领域，尤其涉及一种易拓展高容错的数据中心网络拓扑结构。

背景技术

随着社会信息化不断发展，计算机的技术应用已经深入到了各行各业，大量的数据在工业制造、社交网络、甚至是电子商务等领域呈指数增长，例如淘宝双十一仅三分钟的交易量就可以达到100亿，这些和云计算技术的发展迅速是密不可分的。近年来，云计算技术发展已经上升到了包括美国等许多国家的战略层面。云计算的一个核心理念就是不断提升云端的数据处理能力，将绝大部分的计算放在云端进行，从而减轻终端用户的负担，而这大部分的计算主要是由大型的数据中心网络来完成的。作为云计算的核心基础设施和下一代网络技术的创新平台，数据中心网络在近年来得到了学术界和工业界的广泛关注，它是连接数据中心大规模服务器进行大型分布式计算的桥梁。

由于数据量的指数级增长，可拓展性成为了数据中心的必要条件。除此以外，随着数据中心规模的不断扩大，云环境中的故障也变得相当普遍。目前，大多数的数据中心都基于树的层次结构，通过核心路由器和核心交换机提供服务。但是这对于核心路由器和核心交换机的要求极高，容易产生严重的流量瓶颈，在拓展系统规模时代价也非常巨大。与此同时，这种树型结构容错性较差，容易出现单点失效的问题，一旦网络规模较大，高层设备的故障会导致部分下层链路无法使用。经典的胖树结构相比于传统的树型结构提供了更高的网络容量，但是其可拓展性从根本上还是受到交换机端口的限制。随后出现的DCell和Hypercube结构是基于级别的，递归定义的互连结构，以服务器为中心使得网络中的路由功能由各个服务器分担，不存在核心交换机和核心路由器，可拓展性和容错性大大增强。可是，其容错功能的成本很高，根据拓扑结构，DCell这种网络有着大量的备用链路，这会使得在拓展服务器时的布线成本变高。同时，在故障发生时备用链路的跳数将会大大增加。

发明内容

本发明的主要目的在于提供了一种拓展简便、容错性高、成本低、传输率高且负载均衡性强的数据中心网络拓扑结构，用以解决现有技术中基于树的结构层次拓展成本高，以及DCell和Hypercube结构中容错成本高的问题，具体技术方案如下：

一种易拓展高容错的数据中心网络拓扑结构，所述数据中心网络拓扑结构包括N个基本拓扑单元，所述基本拓扑单元包括四个六接口交换机和四个八接口交换机，其中两个所述六接口交换机和两个所述八接口交换机构成第一正方形，剩余两个所述六接口交换机与剩余两个所述八接口交换机构成第二正方形，所述第一正方形与所述第二正方形叠层设置，所述第一正方形与所述第二正方形大小一致，接口数量相同的交换机在所述第一正方形和第二正方形中互为对角设置，且所述第一正方形与第二正方形中对应角上的具有相同接口的交换机在同一垂直线上；所述第一正方形上的所述八接口交换机分别与对应正下方和对角的所述第二正方形上的所述八接口交换机连接形成所述基本拓扑单元；

N个所述基本拓扑单元相互连接构成N级的所述数据中心网络拓扑结构。

进一步的，N级的所述数据中心网络拓扑结构中所述基本拓扑单元之间的连接方式与所述基本拓扑单元中所述六接口交换机和八接口交换机的连接方式相同。

进一步的，所述数据中心网络拓扑结构包括纵向拓展、横向拓展和单个拓展三种拓展方式；其中：

所述纵向拓展通过将相邻上层与下层的所述基本拓扑单元中的所述八接口交换机相连；

所述横向拓展通过将所述基本拓扑单元中的所述六接口交换机与相邻所述基本拓扑单元中的所述八接口交换机相连接；

所述单个拓展通过在每个所述基本拓扑结构中的处在同一正方形的所述八接口交换机之间添加所述六接口交换机，且每一组所述八接口交换机之间至多添加两个所述六接口交换机，N级的所述数据中心网络拓扑结构之间至多可添加k个所述六接口交换机，其中，0≤k≤4N。

进一步的，所述数据中心网络拓扑结构中看包含交换机数量为：8N+k，其中，1≤N，0≤k≤4N。

进一步的，所述数据中心网络拓扑结构中包含所述六接口交换机的数量为：4N+k，其中，1≤N，0≤k≤4N。

进一步的，所述数据中心网络拓扑结构中包含所述八接口交换机的数量为：4N，其中，1≤N，0≤k≤4N。

进一步的，所述数据中心网络拓扑结构中中连线的数量为：16N-4+2k，其中，1≤N，0≤k≤4N。

进一步的，所有所述六接口交换机和所述八接口交换机均与终端服务器连接。

与现有技术相比，本发明的优点及效果为：

(1)本发明构建的数据中心网络结构拓展的布线成本低廉，不存在核心交换机和核心路由器，增加了网络的容错性和吞吐量；

(2)本发明构建的数据中心网络结构有着纵向，横向，单个添加三种拓展方式，很显然具有良好的可拓展性；

(3)相比于其他去中心化的互连网络结构，本数据中心网络结构在故障发生时也不会产生过度的跳数增加，具有很好的容错性和灵活的流量分配。

附图说明

图1为本发明实施例中所述基本拓扑单元的结构图示意

图2为本发明实施例中所述数据中心网络拓扑结构的横向拓展图示意；

图3为本发明实施例中所述数据中心网络拓扑结构的纵向拓展图示意；

图4、图5为本发明实施例中中所述数据中心网络拓扑结构的单个拓展图示意；

图6为现有技术中Hypercube互联网络结构的拓展图示意；

图7为现有技术中胖树的网络结构图示意；

图8为本发明实施例中所述数据中心网络拓扑结构发生故障时的容错路由图示意；

图9为现有技术中Hypercube互联网络结构的容错路由图示意。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参阅图1，在本发明实施例中，提供一种易拓展高容错的数据中心网络拓扑结构，数据中心网络拓扑结构包括N个基本拓扑单元，图1为基本拓扑单元的结构图示意，从中可知，基本拓扑单元包括四个六接口交换机A和四个八接口交换机B，其中两个六接口交换机A1和A2和两个八接口交换机B1和B2构成第一正方形，剩余两个六接口交换机A1＇和A2＇与剩余两个八接口交换机B1＇和B2＇构成第二正方形，第一正方形与第二正方形叠层设置，第一正方形与第二正方形大小一致，接口数量相同的交换机在第一正方形和第二正方形中互为对角设置，且第一正方形与第二正方形中对应角上的具有相同接口的交换机在同一垂直线上；第一正方形上的八接口交换机分别与第二正方形上对应正下方和对角的八接口交换机连接形成基本拓扑单元，即八接口交换机B1分别与八接口交换机B1＇和B2＇相连，八接口交换机B2分别与八接口交换机B1＇和B2＇相连；这样就可以构成由N个基本拓扑单元相互连接的N级数据中心网络拓扑结构，且每个六接口交换器和八接口交换器均与终端服务器连接。

在实施例中，N级的数据中心网络拓扑结构中基本拓扑单元之间的连接方式与基本拓扑单元中六接口交换机A和八接口交换机B的连接方式相同。

参阅图2、图3、图4和图5，在本发明实施例中，数据中心网络拓扑结构包括纵向拓展、横向拓展和单个拓展三种拓展方式；结合图2可知，横向拓展通过将基本拓扑单元中的六接口交换机A1和A2与相邻基本拓扑单元中的八接口交换机A1和A2相连接，具体为，六接口交换机分别与八接口交换机A1和A2连接，六接口交换机A2分别与八接口交换机A1和A2连接；结合图3可知，纵向拓展通过将相邻上层与下层的基本拓扑单元中的八接口交换机相连；即图3中左边基础拓扑单元中的八接口交换机B1＇和B2＇分别与图3中的八接口交换机B1和B2相连接；结合图4和图5可知，单个拓展通过在每个基本拓扑结构中的处在同一正方形的八接口交换机A1和A2之间添加六接口交换机C或D，且每一组八接口交换机之间至多添加两个六接口交换机，N级的数据中心网络拓扑结构之间至多可添加k个六接口交换机，其中，0≤k≤4N；在实施例中，具体连接多少基本拓扑单元可根据实际需求设定，本发明并不对此进行限制和固定，记录其连接N个基本拓扑单元后的长度为m。

在本发明实施例中，N个基本拓扑单元形成的数据中心网络拓扑结构中：包含交换机数量为：8N+k，其中，1≤N，0≤k≤4N；包含六接口交换机的数量为：4N+k，其中，1≤N，0≤k≤4N；进一步的，包含八接口交换机的数量为：4N，其中，1≤N，0≤k≤4N；中连线的数量为：16N-4+2k，其中，1≤N，0≤k≤4N。

现有技术中，大多数的数据中心网络结构是基于交换机的树型结构来互连越来越多的服务器，通过核心路由器和核心交换机提供服务，但是为了维持服务器群体的指数增长就要使用更昂贵，更高速的交换机，成本很高，并且容易产生带宽瓶颈；而本发明只使用六接口交换机和八接口交换机两种商品交换机，成本低廉，拓展简便；为了说明本发明结构的效果，下面以纵向拓展的两个基本拓扑单元为例与Hypercube结构、胖树结构进行对比，结合图3、6、7来进行说明；其中，虚线代表拓展所要添加的连接数；比较结果如表一所示，从中可以看出本发明的数据中心网络拓扑结构与Hypercube结构均有16个节点数，胖树有20个；但是总链接数胖树有44个，Hypercube有32个，而本发明的数据中心网络拓扑结构只有28个，经对比可以看出本发明具有良好的可拓展性，对网络资源占用相对较少，因此对在拓展时对网络资源利用较为充分，不会产生较大的网络资源浪费。

表一本结构与胖树，Hypercube的参数对比

在现有的网络通信技术中，一个好的数据中心网络结构，良好的容错性是必不可少的，例如现有的DCell，BCube，Hypercube都能很好地应用于网络通信中，且都具有此优良的性质；可是，DCell、BCube和Hypercube的容错功能的成本很高，根据拓扑结构，这种网络有着大量的备用链路，这会使得在拓展服务器时的布线成本变高，并且在故障发生时备用链路的跳数将会大大增加；可结合图8、9，可以看出，在Hypercube结构和本发明的数据中心网络拓扑结构中，假设Hypercube网络和本发明数据中心网络拓扑结构构成网络的链接长度同为L，从交换机C到B2＇的一种最短路径为path(C,B2＇)＝{C，B2，B2＇}；显然两种结构均具有良好的抗毁性，但是当path(C,B2)发生故障时，Hypercube的一种最短路径path(C,B2＇)＝{C，B1，A2，A2＇，B2＇}相比原始的最短路径跳数增加较多，而本发明的最短路径path(C,B2＇)＝{C，B2，B2＇}与原最短路径距离相；因此可以看出相比于Hypercube，本发明的平均容错路由较短，具有很好的容错性和灵活的流量分配能力。

本发明的数据中心网络拓扑结构使用了类立方体的网络结构，同时引入冗余的设备提高网络带宽，引入冗余的网络链路增加了网络容错性；可基于纵向，横向以及单个三种方式进行网络拓展，并且在拓展网络的同时尽量使用较少的链路，明显提高网络的可拓展性。

与现有技术相比，本发明的优点及效果为：

(1)本发明构建的数据中心网络结构拓展的布线成本低廉，不存在核心交换机和核心路由器，增加了网络的容错性和吞吐量；

(2)本发明构建的数据中心网络结构有着纵向，横向，单个添加三种拓展方式，很显然具有良好的可拓展性；

(3)相比于其他去中心化的互连网络结构，本数据中心网络结构在故障发生时也不会产生过度的跳数增加，具有很好的容错性和灵活的流量分配。

以上仅为本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。

Claims (8)

1.一种易拓展高容错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包括N个基本拓扑单元，所述基本拓扑单元包括四个六接口交换机和四个八接口交换机，其中两个所述六接口交换机和两个所述八接口交换机构成第一正方形，剩余两个所述六接口交换机与剩余两个所述八接口交换机构成第二正方形，所述第一正方形与所述第二正方形叠层设置，所述第一正方形与所述第二正方形大小一致，接口数量相同的交换机在所述第一正方形和第二正方形中互为对角设置，且所述第一正方形与第二正方形中对应角上的具有相同接口的交换机在同一垂直线上；所述第一正方形上的所述八接口交换机分别与对应正下方和对角的所述第二正方形上的所述八接口交换机连接形成所述基本拓扑单元；

N个所述基本拓扑单元相互连接构成N级的所述数据中心网络拓扑结构。

2.根据权利要求1所述的一种易拓展高容错的数据中心网络拓扑结构，其特征在于，N级的所述数据中心网络拓扑结构中所述基本拓扑单元之间的连接方式与所述基本拓扑单元中所述六接口交换机和八接口交换机的连接方式相同。

3.根据权利要求1所述的一种易拓展高容错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包括纵向拓展、横向拓展和单个拓展三种拓展方式；其中：

所述纵向拓展通过将相邻上层与下层的所述基本拓扑单元中的所述八接口交换机相连；

所述横向拓展通过将所述基本拓扑单元中的所述六接口交换机与相邻所述基本拓扑单元中的所述八接口交换机相连接；

所述单个拓展通过在每个所述基本拓扑结构中的处在同一正方形的所述八接口交换机之间添加所述六接口交换机，且每一组所述八接口交换机之间至多添加两个所述六接口交换机，N级的所述数据中心网络拓扑结构之间至多可添加k个所述六接口交换机，其中，0≤k≤4N。

4.根据权利要求1所述的一种易拓展高容错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看包含交换机数量为：8N+k，其中，1≤N，0≤k≤4N。

5.根据权利要求1所述的一种易拓展高容错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包含所述六接口交换机的数量为：4N+k，其中，1≤N，0≤k≤4N。

6.根据权利要求1所述的一种易拓展高容错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包含所述八接口交换机的数量为：4N，其中，1≤N，0≤k≤4N。

7.根据权利要求1所述的一种易拓展高容错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中连线的数量为：16N-4+2k，其中，1≤N，0≤k≤4N。

8.根据权利要求1所述的一种易拓展高容错的数据中心网络拓扑结构，其特征在于，所有所述六接口交换机和所述八接口交换机均与终端服务器连接。