CN110535791B - 一种基于棱柱体结构的数据中心网络 - Google Patents

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Abstract

一种基于棱柱体结构的数据中心网络，由八个交换机构成一个三棱柱体的单元网络结构，其中包括六个五接口的交换机与两个四接口的交换机。首先顶面和底面都是由三个两两相连的五接口的交换机组成一个边长为L的等边三角形，分别在两个等边三角形的中心位置加入一个四接口的交换机，并与其他三个交换机两两相连，上下底面相对应的交换机两两相连，然后将底面三角形顶点处的三个交换机依次与右上角的交换机相连，构成了一个基本的网络拓扑单元。除三角形中心的交换机外，每个交换机都与服务器相连。按照此方式进行扩展，可以构成一个底面边长为NL，h个单元层的垂直连接的数据中心网络，h和N是大于等于1的整数。

Description

一种基于棱柱体结构的数据中心网络
技术领域
本发明涉及数据中心网络拓扑结构，具体涉及一种基于棱柱体结构的数据中心网络。
背景技术
随着云计算和计算机密集型网络技术的快速发展，目前，全世界已经进入了一个信息高速发展的时代，据国际数据公司发布的数据显示：截止2018年，腾讯数据中心的服务器规模已达50多万台，微软有 200万台，而亚马逊的数据中心有接近300万台的服务器。数量如此庞大的服务器同时工作时将会产生大量的数据，而作为其基础设施的数据中心网络再次成为研究的热点。如何通过连接设备与高速链路将这些服务器连接起来，使其构成一个性能高效的数据中心网络，为上层计算机系统提供高效高质量的服务，这在技术上绝对是一个重大的挑战。
传统的数据中心网络是通过交换机、核心交换机和核心路由器将服务器连接在一起，构成一个树型结构的数据中心网络。但这种结构对核心交换机和核心路由性能的要求很高，造价昂贵，且极易出现网络中的单点失效，造成网络流量的瓶颈。随着服务器数量呈指数增长，这种结构在不断扩展时，对核心交换机和核心路由器的性能要求会越来越高，且造价会越来越昂贵。这种结构很难满足目前对数据中心网络高聚集带宽、高吞吐量和高容错性的性能要求。后来，很多学者对传统树型作出了改进，提出了Fat-tree，VL2这些以交换机为核心的多根树型数据中心网络结构。这些结构虽然在一定程度上解决了传统树型结构的单点失效问题，但仍存在核心交换机与核心路由器造价贵、容错性差和可拓展性差等缺点。
发明内容
本发明提供了一种基于棱柱体结构的数据中心网络，达到拓展简便、容错性高、成本低、传输速率高、负载均衡性强的效果。
一种基于棱柱体结构的数据中心网络，所述棱柱体结构，具体为由八个交换机构成一个三棱柱体的单元网络结构，其中包括六个五接口的交换机与两个四接口的交换机；
所述三棱柱体的顶面和底面都是由三个两两相连的五接口的交换机组成一个边长为L的等边三角形，分别在两个等边三角形平面的中心位置加入一个四接口的交换机，并与其他三个交换机两两相连；所述上下底面各个顶点相对应的交换机两两相连；
然后将底面三角形顶点处的三个交换机依次与其右上角的顶面上的交换机相连，构成了一个基本的网络拓扑单元；
按照此方式进行扩展，可以构成一个底面边长为NL，h个单元层的垂直连接的数据中心网络，h和N是大于等于1的整数。
进一步地，除上下顶面和底面的三角形中心的两个交换机外，每个交换机都与服务器相连。
进一步地，所述结构中交换机的总数量为：
Figure BDA0002106502870000021
进一步地，所述结构中四接口交换机数量为：
2N2(N≥1)
进一步地，所述结构中五接口交换机数量为：
6+2(h-1)N2(N≥1)
进一步地，所述结构中七接口交换机数量为：
6(h-1)(h≥1)
进一步地，所述结构中十接口交换机数量为：
6(N-1)(N≥1)
进一步地，所述结构中十三接口交换机数量为：
6(h-1)(N-1)(N≥1,h≥1)
进一步地，所述结构中十六接口交换机数量为：
Figure BDA0002106502870000031
进一步的，所述结构中二十接口交换机数量为：
Figure BDA0002106502870000032
本发明的有益效果是：
(1)本发明构建的数据中心网络结构抛弃了树型结构中的核心交换机和核心路由器，采用商品级路由器，降低了成本，加入了冗余线路，增强了网络的容错性。
(2)本发明构建的数据中心网络结构充分合理的利用网络资源，使网络性能更加可靠，更加高效。
(3)本发明构建的数据中心网络结构在进行扩展时，不需要改变原本的结构，并且可以进行水平和垂直双向扩展，明显提高了可扩展性。
附图说明
图1为本发明实施例中的单元数据中心网络结构。
图2为本发明实施例中的数据中心网络结构的纵向扩展图。
图3为本发明实施例中的数据中心网络结构的横向扩展图。
图4为本发明实施例中的数据中心网络结构的横向扩展的俯视图。
图5为现有的Fat-tree数据中心网络结构。
图6为本发明结构与对应胖树结构的对比表格。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
一种基于棱柱体结构的数据中心网络，所述棱柱体结构，具体为由八个交换机构成一个三棱柱体的单元网络结构，其中包括六个五接口的交换机与两个四接口的交换机。
所述三棱柱体的顶面和底面都是由三个两两相连的五接口的交换机组成一个边长为L的等边三角形，分别在两个等边三角形平面的中心位置加入一个四接口的交换机，并与其他三个交换机两两相连；所述上下底面各个顶点相对应的交换机两两相连。
然后将底面三角形顶点处的三个交换机依次与其右上角的顶面上的交换机相连，构成了一个基本的网络拓扑单元。
按照此方式进行扩展，可以构成一个底面边长为NL，h个单元层的垂直连接的数据中心网络，h和N是大于等于1的整数。
除上下顶面和底面的三角形中心的两个交换机外，每个交换机都与服务器相连。
所述结构中交换机的总数量为：
Figure BDA0002106502870000051
所述结构中四接口交换机数量为：
2N2(N≥1)
所述结构中五接口交换机数量为：
6+2(h-1)N2(N≥1)
所述结构中七接口交换机数量为：
6(h-1)(h≥1)
所述结构中十接口交换机数量为：
6(N-1)(N≥1)
所述结构中十三接口交换机数量为：
6(h-1)(N-1)(N≥1,h≥1)
所述结构中十六接口交换机数量为：
Figure BDA0002106502870000052
所述结构中二十接口交换机数量为：
Figure BDA0002106502870000053
为了对该数据中心网络作进一步说明，下面我们将基于该发明的基本单元结构进行横向和纵向扩展。
纵向扩展：构建底面边长为L的单级双单元层的数据中心网络，其模型如图2所示：由两个单级单层的数据中心网络垂直互连而成，其连接方式如虚线所示，两个单元的上下底面对应的交换机互连，上底面三角形顶点处的三个交换机依次与右上角的交换机相连。
横向扩展：构建底面边长为2L的二级单元层的数据中心网络，其模型如图3所示：基于该发明的基本单元结构横向扩展，去除重复的边与交换机节点，构建一个底面边长为2L的棱柱体结构，俯视图如图4所示。
无论是横向还是纵向扩展，该结构中的每个交换机在逻辑上都是等价连接的，且可以根据需求连接服务器。
Fat-Tree拓扑结构是由MIT的Fares等人在改进传统树形结构性能的基础上提出的，属于switch-only型拓扑。整个拓扑网络分为三个层次：自上而下分别为边缘层(edge)、汇聚层(aggregate)和核心层(core)，其中汇聚层交换机与边缘层交换机构成一个pod，具体如图5所示。
为了说明本发明结构的有益效果，下面我们将采用胖树与本发明构造的双层基本单元进行对比，主要从交换机数量和链路数量两个方面对两种结构进行对比分析，具体参数如图6所示，从表中可以看出本发明的数据中心网络的交换机数量比胖树结构的交换机数量少四个，而本发明的链路数量比胖树结构只多一个。胖树的核心层包含了造价较高的核心交换机，限制了扩展规模，而本发明完全采用价格低廉的商品交换机，加入冗余链路，增强了网络的容错性，很友好的支持one-to-all及all-to-all网络通信模式。因此，本发明的结构用较少的且较低价格的网络设备实现了一个较高性能的数据中心网络，充分利用了网络资源。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于棱柱体结构的数据中心网络，其特征在于：
所述棱柱体结构，具体为由八个交换机构成一个三棱柱体的单元
网络结构，其中包括六个五接口的交换机与两个四接口的交换机；
所述三棱柱体的顶面和底面都是由三个两两相连的五接口的交
换机组成一个边长为L的等边三角形，分别在两个等边三角形平面的
中心位置加入一个四接口的交换机，并与其他三个交换机两两相连；
所述上下底面各个顶点相对应的交换机两两相连；
然后将底面三角形顶点处的三个交换机依次与其右上角的顶面
上的交换机相连，构成了一个基本的网络拓扑单元；除上下顶面和底
面的三角形中心的两个交换机外，每个交换机都与服务器相连；
按照此方式进行扩展，可以构成一个底面边长为NL，h个单元
层的垂直连接的数据中心网络，h和N是大于等于1的整数。
2.根据权利要求 1 中所述的一种基于棱柱体结构的数据中心网
络拓扑结构，其特征在于：所述结构中交换机的总数量为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，其中N≥1。
3.根据权利要求 1 中所述的一种基于棱柱体结构的数据中心网
络拓扑结构，其特征在于：所述结构中四接口交换机数量为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，其中N ≥1。
4.根据权利要求 1 中所述的一种基于棱柱体结构的数据中心网
络拓扑结构，其特征在于：所述结构中五接口交换机数量为：
Figure 336483DEST_PATH_IMAGE003
，其中N ≥1。
5.根据权利要求 1 中所述的一种基于棱柱体结构的数据中心网
络拓扑结构，其特征在于：所述结构中七接口交换机数量为：
6(h -1)，其中h ≥1。
6.根据权利要求 1 中所述的一种基于棱柱体结构的数据中心网
络拓扑结构，其特征在于：所述结构中十接口交换机数量为：
6(N -1)，其中N ≥1。
7.根据权利要求 1 中所述的一种基于棱柱体结构的数据中心网
络拓扑结构，其特征在于：所述结构中十三接口交换机数量为：
6(h -1)(N -1)，其中N ≥1, h ≥1。
8.根据权利要求 1 中所述的一种基于棱柱体结构的数据中心网
络拓扑结构，其特征在于：所述结构中十六接口交换机数量为：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，其中N ≥3。
9.根据权利要求 1 中所述的一种基于棱柱体结构的数据中心网
络拓扑结构，其特征在于：所述结构中二十接口交换机数量为：
Figure 253624DEST_PATH_IMAGE005
，其中N ≥3,h ≥1。
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