CN112073315A - 一种数据中心网络容错单播路由系统 - Google Patents

一种数据中心网络容错单播路由系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种数据中心网络容错单播路由系统，数据中心网络基于n口交换机，有k个维度,网络中每台服务器与n‑1台服务器通过交换机相连接，与q台服务器直接相连接,当数据中心网络中存在不超过n+q‑2个服务器出现故障时，本发明实现了任意两个无故障服务器能够进行可靠单播通信。

Description

一种数据中心网络容错单播路由系统
技术领域
本发明主要涉及数据中心网络通信技术领域，尤其涉及数据中心网络容错单播路由系统。
背景技术
随着互联网的不断扩大，数据中心迅速地在世界各地部署并投入使用，且这些数据中心运行着多达数十万台服务器。数据中心网络是数据中心内服务器、交换机、传输链路等网络装置的集合。随着数据中心网络规模的不断扩大，不可避免会遇到服务器、交换机和传输链路等故障。数据中心网络承载了大量业务,如果网络出现故障,必将出现重大的损失和影响，能否保证数据中心网络业务传输不受影响成为了至关重要的问题。因此，数据中心网络上任意两台无故障服务器间进行可靠的容错单播路由是数据中心上的重要应用场景之一。
DCell网络是Guo等提出的一种基于层次化全连接的，以服务器为中心的数据中心网络。DCell网络上的服务器除了完成计算和存储任务外，还需要具有路由功能，转发到达的报文。DCell网络可以实现比传统的树型结构和胖树结构更好的聚合带宽，因此，DCell能更好的支持数据密集型计算的一对多和多对多通信需求。
在容错单播路由方面，Guo等研究了DCell网络中在服务器失效、链路失效等情况下的容错单播路由问题，并提出了相应的路由方法。然而，该路由方法存在构造出的路径较长，时间复杂度较高等缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供本发明主要设计一种DCell上的新型容错单播路由系统，即DCell上任意两台无故障服务器间可进行可靠的容错单播路由，丰富DCell网络的使用场景，为新型数据中心网络的设计和应用提供参考。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种数据中心网络容错单播路由系统,包括：
数据中心网络包括p个子网，p＞2；
子网包括1个交换机,交换机有n个端口，n≥2；
子网包括q个服务器,所述q≤n-1；
q个所述服务器通过p-1个所述子网的所述交换机与(p-1)×q个所述服务器连接。
优选地，子网还包括：第一子网，第n1子网，第n2子网；
优选地，交换机还包括：第一子网交换机，第n1子网交换机、第n2子网交换机；
优选地，服务器还包括：第一子网第u0服务器，第n1子网第一服务器，第n1子网第u1服务器、第n2子网第u2服务器；
u0≤q，u0≥1；u1≤q，u2≤q；u1≥1，u2≥1；n1≤p，n1≥1；n2≤p，n2≥1。
优选地，第一子网第u0服务器与所述第n2子网交换机连接,所述n2＝u0+1；
优选地，第一子网第u0服务器通过所述第n2子网交换机与所述第n1子网第一服务器连接；
优选地，n1＝n2，u0≥1，n2＝u+1；
优选地，第n1子网第一服务器与第一子网交换机连接；
优选地，第n1子网第u1服务器与第n2子网交换机连接；
优选地，n1＞1，u1＞1，n2＝u1+1,u1≥n1；
优选地，第n1子网的第u1服务器与所述第n2子网交换机连接；
优选地，n1＞1，u1＞1，n2＝u1,u1＜n1；
优选地，第n1子网第u1服务器通过第n2子网交换机与第n2子网第u2服务器连接，所述n1＜n2，所述u1＞1，所述n2＝u1+1,所述u2＝n1。
优选地，数据中心网络为k维数据中心网络；
优选地，k维数据中心的网络地址包括服务器地址和交换机地址；
优选地，服务器地址为长度为k+1的向量，服务器地址表示为[uk+1,uk,…,u1]；
优选地，交换机地址为长度为k的向量，服务器的相邻交换机地址为[uk,uk-1,…,u1，u0]；
优选地，k维数据中心网络还包括：
起点服务器u,u∈[uk+1,uk,…,u1]；
终点服务器v，v∈[uk+1,uk,…,u1]；
起点邻居服务器x，x∈[uk+1,uk,…,u1]；
终点邻居服务器y，y∈[uk+1,uk,…,u1]；
起点邻居服务器的k-邻居服务器s，s∈[uk+1,uk,…,u1]；
终点邻居服务器的k-邻居服务器t，t∈[uk+1,uk,…,u1]；
数据中心网络故障集合K；
交换机端口数n；
优选地，包括以下步骤：
步骤1.u和v相邻，返回路径(u,v)；
u和v不相邻，遍历m的邻居x，x的邻居为v，返回路径(u,x,v)；
x的邻居不为v，进入步骤2；
步骤2.F为空，执行DCellRouting方法，返回u和v之间的路径；
F不为空，进入步骤3；
步骤3.α和β分别表示u[k]和v[k]；
u[k]为所述服务器u的地址的第k位的值；
v[k]为所述服务器v的地址的第k位的值；
Figure BDA0002667021540000031
和
Figure BDA0002667021540000032
没有故障，执行DCellRouting方法，返回u和v之间的路径；
Figure BDA0002667021540000033
和
Figure BDA0002667021540000034
有故障，进入步骤4；
Figure BDA0002667021540000035
为具有n个交换机端口和服务器地址k-1的第k位的值为α的子网络；
Figure BDA0002667021540000036
为具有n个交换机端口和服务器地址k-1的第k位的值为β的子网络；
步骤4.分别遍历u和v的邻居x和y，选取x和y的k-邻居s和t，
Figure BDA0002667021540000037
和
Figure BDA0002667021540000038
没有故障，令P表示通过执行DCellRouting方法，计算的s和t之间的路径，返回路径(u,x,s,P,t,y,v)；
Figure BDA0002667021540000039
为具有所述n个交换机端口和服务器地址k-1的第k位的值为s[k]的子网络；
Figure BDA0002667021540000041
为具有所述n个交换机端口和服务器地址k-1的第k位的值为t[k]的子网络。
优选地，起点服务器和终点服务器为无故障服务器。
本发明公开了以下技术效果：
本发明所述方法简单有效，所述单播路由路径结构简单容易实现，解决了当数据中心网络中网络中存在不超过n+q-2个服务器出现故障时，任意两个无故障服务器能够进行可靠单播通信的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为基于4口交换机的1维DCell网络D1,4构成图；
图2为基于4口交换机的1维DCell网络D1,4流程图；
图3为D1,4服务器[3,1]到服务器[1,3]之间的容错单播路径构造过程图。
具体实施方式
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：给定一个全局变量n，用来表示交换机的端口数,用k表示DCell网络的维度,为了便于本发明表述，用Dk,n表示一个基于n口交换机的k维DCell网络,Dk,n上的服务器地址u表示为一个长度为k+1的向量[uk,uk-1,...,ui,...,u0]。Dk,n上的交换机地址x表示为一个长度为k的向量[xk,xk-1,...,xi,…,x1],与服务器地址u相邻的交换机地址x可表示为u[:-1],服务器地址u＝[uk,uk-1,...,ui,...,u0]的第i位的值ui可以表示为u[i]，其中0≤i≤k,用
Figure BDA0002667021540000051
表示每个服务器的地址的第k位的值为α的子DCell网络，显然
Figure BDA0002667021540000052
定义1当k≥0时，Dk,n的递归定义如下：
(1)D0,n是一个有n个服务器连接到一个交换机；
(2)当k≥1时，Dk,n是由tk-1,n+1个k-1维的DCell网络
Figure BDA0002667021540000053
和
Figure BDA0002667021540000054
相互连接，其中
Figure BDA0002667021540000055
中服务器u＝[uk,uk-1,...,u0]与
Figure BDA0002667021540000056
中v＝[vk,vk-1,...,v0]是相邻的，当且仅当
Figure BDA0002667021540000057
且
Figure BDA0002667021540000058
与u＝[uk,uk-1,...,u0]相邻的交换机的地址表示为x＝[uk,uk-1,...,u1]。
对于任意的整数d≥1,当任意两个顶点u和v从左边开始第d位不同，则定义v是u的d-邻居，用(u)d表示u的d-邻居。
本发明提供一种数据中心网络容错单播路由系统，包括：一个基于n口交换机的k维DCell网络Dk,n，以及一个不超过n+k-2个故障服务器的故障集合F，任意两个无故障服务器u和v，容错单播路由的方法为：
步骤1.判断如果服务器u和v相邻，返回(u,v)；遍历u的邻居x，如果x的邻居为v，返回(u,x,v)；否则跳到步骤2；
步骤2.判断故障集合F是否为空，如果F为空，执行DCellRouting方法，返回u和v之间的路径；否则跳到步骤3；
步骤3.令α和β分别表示u[k]和v[k]，如果
Figure BDA0002667021540000059
和
Figure BDA00026670215400000510
没有故障，执行DCellRouting方法，返回u和v之间的路径；否则跳到步骤4；
步骤4.分别遍历u和v的邻居x和y，选取x和y的k-邻居s和t，使得
Figure BDA0002667021540000061
和
Figure BDA0002667021540000062
是没有故障的，令P表示路径节点，通过执行DCellRouting方法，计算s和t之间的路径，返回(u,x,s,P,t,y,v)。
实施例2：如图1-3所示，一个基于4口交换机的1维DCell网络D1,4，存在服务器故障集合F＝{[3,3],[4,1],[1,2]}，服务器u＝[3,1]到服务器v＝[1,3]之间的容错单播路径构造过程如下所示：
步骤1.经过判断，u和v不在同一个0维度DCell子网络上；u和v在D1′,4中不相邻；u的邻居x和v不相等，跳转到步骤2；
步骤2.分别遍历u和v的邻居x和y，选取x＝[3,0]和y＝[1,0]的1-邻居s＝[0,2]和t＝[0,0]，使得
Figure BDA0002667021540000063
是没有故障的，跳转到步骤3；
步骤3.令P＝([0,2],[0,0])表示通过执行DCellRouting方法，计算的s和t之间的路径，返回([3,1],[3,0],[0,2],[0,0],[1,0],[1,3])；
当数据中心网络中网络中存在不超过n+q-2个服务器出现故障时，任意两个无故障服务器能够进行可靠单播通信的技术问题。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种数据中心网络容错单播路由系统，其特征在于：
所述数据中心网络包括p个子网，所述p＞2；
所述子网包括1个交换机,所述交换机有n个端口，n≥2；
所述子网包括q个服务器,所述q≤n-1；
所述q个所述服务器通过p-1个所述子网的所述交换机与(p-1)×q个所述服务器连接。
2.根据权利要求1所述一种数据中心网络容错单播路由系统，其特征在于：
所述子网还包括：第一子网，第n1子网，第n2子网；
所述交换机还包括：第一子网交换机，第n1子网交换机、第n2子网交换机；
所述服务器还包括：第一子网第u0服务器，第n1子网第一服务器，第n1子网第u1服务器、第n2子网第u2服务器；
所述u0≤q，所述u0≥1；
所述u1≤q，所述u2≤q；
所述u1≥1，所述u2≥1；
所述n1≤p，所述n1≥1；
所述n2≤p，所述n2≥1。
3.根据权利要求2所述一种数据中心网络容错单播路由系统，其特征在于：
所述第一子网第u0服务器与所述第n2子网交换机连接,所述n2＝u0+1。
4.根据权利要求3所述一种数据中心网络容错单播路由系统,其特征在于：
所述第一子网第u0服务器通过所述第n2子网交换机与所述第n1子网第一服务器连接，所述n1＝n2，所述u0≥1，所述n2＝u+1。
5.根据权利要求2所述一种数据中心网络容错单播路由系统，其特征在于：
所述第n1子网第一服务器与所述第一子网交换机连接。
6.根据权利要求2所述一种数据中心网络容错单播路由系统,其特征在于：
所述第n1子网第u1服务器与所述第n2子网交换机连接；
所述n1＞1，所述u1＞1，所述n2＝u1+1,所述u1≥n1。
7.根据权利要求2所述一种数据中心网络容错单播路由系统,其特征在于：
所述第n1子网的第u1服务器与所述第n2子网交换机连接；
所述n1＞1，所述u1＞1，所述n2＝u1,所述u1＜n1。
8.根据权利要求2所述一种数据中心网络容错单播路由系统,其特征在于：
所述第n1子网第u1服务器通过所述第n2子网交换机与所述第n2子网第u2服务器连接，所述n1＜n2，所述u1＞1，所述n2＝u1+1,所述u2＝n1。
9.一种数据中心网络容错单播路由的方法，其特征在于：
包括：
所述数据中心网络为k维数据中心网络；
k维数据中心的网络地址包括服务器地址和交换机地址；
所述服务器地址为长度为k+1的向量，所述服务器地址表示为[uk+1,uk,…,u1]；
所述交换机地址为长度为k的向量，所述服务器的相邻交换机地址为[uk,uk-1,…,u1，u0]；
所述k维数据中心网络还包括：
起点服务器u,u∈[uk+1,uk,…,u1]；
终点服务器v，v∈[uk+1,uk,…,u1]；
起点邻居服务器x，x∈[uk+1,uk,…,u1]；
终点邻居服务器y，y∈[uk+1,uk,…,u1]；
起点邻居服务器的k-邻居服务器s，s∈[uk+1,uk,…,u1]；
终点邻居服务器的k-邻居服务器t，t∈[uk+1,uk,…,u1]；
数据中心网络故障集合K；
交换机端口数n；
包括以下步骤：
步骤1.所述u和所述v相邻，返回路径(u,v)；
所述u和所述v不相邻，遍历所述m的邻居所述x，所述x的邻居为所述v，返回路径(u,x,v)；
所述x的邻居不为所述v，进入步骤2；
所述步骤2.所述F为空，执行DCellRouting方法，返回u和v之间的路径；
所述F不为空，进入步骤3；
所述步骤3.令α和β分别表示u[k]和v[k]；
所述u[k]为所述服务器u的地址的第k位的值；
所述v[k]为所述服务器v的地址的第k位的值；
Figure FDA0002667021530000031
和
Figure FDA0002667021530000032
没有故障，执行DCellRouting方法，返回u和v之间的路径；
Figure FDA0002667021530000033
和
Figure FDA0002667021530000034
有故障，进入步骤4；
所述
Figure FDA0002667021530000035
为具有所述n个交换机端口和所述服务器地址k-1的第k位的值为α的子网络；
所述
Figure FDA0002667021530000036
为具有所述n个交换机端口和所述服务器地址k-1的第k位的值为β的子网络；
所述步骤4.分别遍历所述u和所述v的邻居所述x和所述y，选取所述x和所述y的k-邻居所述s和所述t，
Figure FDA0002667021530000037
和
Figure FDA0002667021530000038
没有故障，令P表示通过执行DCellRouting方法，计算的所述s和所述t之间的路径，返回路径(u,x,s,P,t,y；
所述
Figure FDA0002667021530000039
为具有所述n个交换机端口和所述服务器地址k-1的第k位的值为s[k]的子网络；
所述
Figure FDA00026670215300000310
为具有所述n个交换机端口和所述服务器地址k-1的第k位的值为t[k]的子网络。
10.根据权利要求9所述一种数据中心网络容错单播路由的方法,其特征在于：
所述起点服务器和终点服务器为无故障服务器。
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