CN114584868B - 数据中心光电混合架构升级方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供数据中心光电混合交换架构升级方法，属于通信技术领域。包括：获取原网络拓扑G(V,E)以及原网络拓扑的交换机属性信息；获取网络迁移的目标带宽B、待添加至脊层的光交换设备集合Λ S 和待添加至叶层的电交换设备集合Λ L ；基于目标带宽B计算调整带宽B t ；若B t ＞0，则根据调整带宽B t 从集合Λ S 中选取满足脊层入网要求的设备o m 添加至脊层，得到新的交换机集合V 0 ；从集合ΛL中选取满足叶层入网要求的设备t n 替换不具冗余端口的ToR交换机，得到新的交换机集合V 1 ；根据集合V 1 和集合E 1 得出更新后的网络拓扑G 1 (V 1 ,E 1 )；在调整带宽B t1大于0的情况下基于网络拓扑G 1 (V 1 ,E 1 )再次更新，直至得到的网络拓扑G x 的调整带宽B tx 不大于0；将网络拓扑G x 视为光电混合架构升级方案。

Description

数据中心光电混合架构升级方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种数据中心光电混合架构升级方法。
背景技术
现有数据中心部署的多为电交换网络设备，传统的网络升级方式一般以堆叠电交换设备为主，但随着硅基芯片逐步达到瓶颈，提升带宽会严重增加功耗。光电混合网络既有电交换低时延、大吞吐量的特点，又有光交换大带宽、低耗能的优点，传统电交换网络负载过重时，应考虑采用光电混合网络。
目前，为了保证提升效果，通常是直接重新铺设光电混合网络、采用新设备，这样的做法导致成本过高，同时，被换掉的设备不再二次利用也造成浪费。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种数据中心光电混合架构升级方法，用于解决重新铺设光电混合网络导致成本过高、造成浪费的问题。
本发明实施例解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种数据中心光电混合架构升级方法，包括：
S11，每隔T时间对叶脊架构网络中叶层交换机采集一次负载样本，并根据采集到的所述负载样本判断所述叶脊架构网络是否需要升级；
S12，判断结果为所述叶脊架构网络需要进行升级时，获取所述叶脊架构网络的原网络拓扑G(V,E)以及所述原网络拓扑的交换机属性信息，其中，所述叶脊架构网络中所述叶层由ToR交换机组成、脊层由交换机EPS组成，V代表所述原网络拓扑中所有交换机的集合，E代表所述叶脊架构网络内两台交换机之间连接的光纤拓扑路径集合；
S13，获取网络迁移的目标带宽B、待添加至所述脊层的光交换设备集合ΛS和待添加至所述叶层的电交换设备集合ΛL，其中，所述光交换设备集合ΛS以及所述电交换设备集合ΛL均按设备成本升序排列；
S14，基于所述目标带宽B计算调整带宽Bt；
S15，若Bt＞0，则根据所述调整带宽Bt从所述光交换设备集合ΛS中选取满足脊层入网要求的设备om添加至所述脊层，得到新的交换机集合V0；
S16，顺序遍历所述交换机集合V0中所述叶层的所述ToR交换机，确定所述ToR交换机是否具有用于上行连接至所述设备om的冗余端口，并从所述电交换设备集合ΛL中选取满足叶层入网要求的设备tn替换不具有所述冗余端口的所述ToR交换机，得到新的交换机集合V1；
S17，建立所述设备om与所述叶层中各个交换机设备的光纤拓扑路径，建立所述设备tn与所述脊层中各个交换机设备的光纤拓扑路径，得到新的光纤拓扑路径集合E1；
S18，根据所述交换机集合V1和光纤拓扑路径集合E1得出更新后的网络拓扑G1(V1,E1)；
S19，基于所述目标带宽B，判断所述更新后的网络拓扑G1(V1,E1)的调整带宽Bt1是否大于0，并在所述调整带宽Bt1大于0的情况下基于所述网络拓扑G1(V1,E1)再次更新，直至得到的网络拓扑Gx的调整带宽Btx不大于0；
S110，将最终得出的所述网络拓扑Gx视为所述原网络拓扑G(V,E)的光电混合架构升级方案，并根据所述网络拓扑Gx计算出升级成本C。
较优地，所述S11每隔T时间对叶脊架构网络中叶层交换机采集一次负载样本，并根据采集到的所述负载样本判断所述叶脊架构网络是否需要升级包括：
对所述叶层交换机每隔T时间采集一次负载样本fi，i∈[1,X]，X为采样总次数；
根据流量阈值a设置变量yi,i∈[1,X]，其中：
yi＝0,fi≤a,i∈[1,X]
yi＝1,fi＞a,i∈[1,X]
计算所述负载样本fi大于所述流量阈值a的频次α：
当α超过网络管理员设定的频次阈值时，确定所述判断结果为所述叶脊架构网络需要进行升级。
较优地，所述交换机属性信息包括交换机类型Ti、新置设备Ni、设备成本Ci、端口数量Pi、最高端口速率端口状态/>端口方向/>I为交换机总数，其中：
Ti的取值为{0,1}，Ti＝0表示第i个交换机位于所述叶层，Ti＝1表示第i个交换机位于所述脊层；
Ni的取值为{0,1}，Ni＝1表示第i个交换机为升级过程中的新添加设备，Ni＝0表示第i个交换机为原有的交换机；
Ci表示所述新添加设备的成本；
Pi表示第i个交换机的机身上用于数据转发的端口总数；
表示第i个交换机的第j个端口可提供的最高传输速率；
的取值为{0,1}，/>表示第i个交换机的第j个端口未占用，/>表示第i个交换机的第j个端口已占用；
的取值为{0,1}，/>表示第i个交换机的第j个端口为北向接口，/>表示第i个交换机的第j个端口为南向接口。
较优地，所述S14基于所述目标带宽B计算调整带宽Bt的计算公式为：
较优地，所述S15根据所述调整带宽Bt从所述光交换设备集合ΛS中选取满足脊层入网要求的设备om添加至所述脊层，得到新的交换机集合V0包括：
Bt＞0时，确定所述调整带宽Bt的数值为所述脊层的带宽扩展值；
顺序查找出所述光交换设备集合ΛS中第一台满足所述脊层入网要求的设备om，其中：
ΛS＝{o1,o2…,oM},m∈[1,M]
所述脊层入网要求包括所述设备om的端口数目不小于所述G(V,E)中所述ToR交换机数目、以及所述设备om的南向接口速率与所述ToR交换机的北向接口速率相匹配；
将所述设备om加入所述集合V，得到所述交换机集合V0，并根据所述设备om的原始属性信息更新所述交换机集合V0的交换机属性信息；
将所述设备om从所述光交换设备集合ΛS内删除。
较优地，所述S16顺序遍历所述交换机集合V0中所述叶层的所述ToR交换机，确定所述ToR交换机是否具有用于上行连接至所述设备om的冗余端口，并从所述电交换设备集合ΛL中选取满足叶层入网要求的设备tn替换不具有所述冗余端口的所述ToR交换机，得到新的交换机集合V1包括：
顺序遍历所述交换机集合V0中所述叶层的所述ToR交换机，计算每一台所述ToR交换机的冗余端口数目Dr：
若Dr＞0，则确认所述ToR交换机当前具有所述冗余端口，继续遍历下一台所述ToR交换机；
若Dr＝0，则确认所述ToR交换机当前不具有所述冗余端口，并顺序查找出所述电交换设备集合ΛL中第一台满足所述叶层入网要求的设备tn，其中：
ΛL＝{t1,t2…,tN},n∈[1,N]
所述叶层入网要求为基于所述交换机集合V1，所述设备tn的端口数目不小于所述脊层的交换机数目；
将不具有所述冗余端口的所述ToR交换机替换为所述设备tn，并将所述设备tn从所述电交换设备集合ΛL内删除；
将被替换掉的所述ToR交换机加入所述电交换设备集合ΛL；
继续遍历下一台所述ToR交换机，直至所述叶层中所有的设备均具有所述冗余端口，形成新的交换机集合V1；
根据各个所述设备tn的原始属性信息更新所述交换机集合V1的交换机属性信息。
较优地，所述S110根据所述网络拓扑Gx计算出升级成本的计算公式为：
C＝∑i(Ni×Ci)+∑i[Ni×(1-Ti)×MS×∑i(Ni×Ti)],j∈[0,Pi],i∈[0,I+IS]
其中，C为升级成本，MS为叶层设备北向接口光模块成本，IS为所述脊层的新增设备总数，设备成本集合ΘS对应表示所述光交换设备集合ΛS中各设备的成本，设备成本集合ΘL对应表示所述电交换设备集合中各设备的成本，相应地，所述网络拓扑Gx中所述设备om的设备成本Ci-om、以及所述设备tn的设备成本Ci-tn表示为：
Ci-om＝csm
Ci-tn＝cln
ΘS＝{cs1,cs2…,csM},m∈[1,M]
ΘL＝{cl1,cl2…,clN},n∈[1,N]
进一步地，本发明还提出一种数据中心光电混合架构升级方法，包括：
S21，每隔T时间对叶脊架构网络中叶层交换机采集一次负载样本，并根据采集到的所述负载样本判断所述叶脊架构网络是否需要升级；
S22，判断结果为所述叶脊架构网络需要进行升级时，获取所述叶脊架构网络的原网络拓扑G(V,E)以及所述原网络拓扑的交换机属性信息，其中，所述叶脊架构网络中所述叶层由ToR交换机组成、脊层由交换机EPS组成，V代表所述原网络拓扑中所有交换机的集合，E代表所述叶脊架构网络内两台交换机之间连接的光纤拓扑路径集合；
S23，获取网络迁移的目标带宽B、待添加至所述脊层的光交换设备集合ΛS、待添加至所述脊层的电交换设备集合ΛE和待添加至所述叶层的电交换设备集合ΛL，其中，所述光交换设备集合ΛS、所述电交换设备集合ΛE以及所述电交换设备集合ΛL均按设备成本升序排列；
S24，基于所述目标带宽B计算调整带宽Bt；
S25，若Bt＞0，则根据所述调整带宽Bt从所述光交换设备集合ΛS以及所述电交换设备集合ΛE中选取成本最低的设备组合添加至所述脊层，得到新的交换机集合V0；
S26，顺序遍历所述交换机集合V0中所述叶层的所述ToR交换机，确定所述ToR交换机是否具有用于上行连接至脊层新增设备的冗余端口，并从所述电交换设备集合ΛL中选取满足叶层入网要求的设备tn替换不具有所述冗余端口的所述ToR交换机，得到新的交换机集合V1；
S27，建立所述脊层新增设备与所述叶层中各个交换机设备的光纤拓扑路径，建立所述设备tn与所述脊层中各个交换机设备的光纤拓扑路径，得到新的光纤拓扑路径集合E1；
S28，根据所述交换机集合V1和光纤拓扑路径集合E1得出更新后的网络拓扑G1(V1,E1)；
S29，基于所述目标带宽B，判断所述更新后的网络拓扑G1(V1,E1)的调整带宽Bt1是否大于0，并在所述调整带宽Bt1大于0的情况下基于所述网络拓扑G1(V1,E1)再次更新，直至得到的网络拓扑Gx的调整带宽Btx不大于0；
S210，根据所述网络拓扑Gx计算出升级成本C；
S211，若C≤Ct，将最终得出的所述网络拓扑Gx视为所述原网络拓扑G(V,E)的光电混合架构升级方案，Ct为预算成本。
较优地，所述S211之后，还包括：
S212，若C＞Ct，则所述原网络拓扑G(V,E)升级失败。
较优地，所述S25根据所述调整带宽Bt从所述光交换设备集合ΛS以及所述电交换设备集合ΛE中选取成本最低的设备组合添加至所述脊层，得到新的交换机集合V0包括：
根据所述光交换设备集合ΛS以及所述电交换设备集合ΛE中所有的交换机设备，筛选出所有满足公式的设备组合；
计算所得的各个所述设备组合的投入成本，所述投入成本包括光模块成本；
选取所述投入成本最低的设备组合添加至所述脊层；
将所述投入成本最低的设备组合加入所述集合V，得到所述交换机集合V0，并根据所述设备组合的原始属性信息更新所述交换机集合V0的交换机属性信息。
由上述技术方案可知，本发明实施例提供的数据中心光电混合架构升级方法，是基于脊叶架构网络的基础上进行网络迁移，以提高网络带宽，具体实现方法是，获取原网络拓扑G(V,E)以及原网络拓扑的交换机属性信息，基于目标带宽B计算调整带宽Bt，若Bt＞0，则根据调整带宽Bt从光交换设备集合ΛS中选取满足脊层入网要求的设备om添加至脊层，得到新的交换机集合V0，顺序遍历交换机集合V0中叶层的ToR交换机，确定ToR交换机是否具有用于上行连接至设备om的冗余端口，并从电交换设备集合ΛL中选取满足叶层入网要求的设备tn替换不具有冗余端口的ToR交换机，得到新的交换机集合V1，建立设备om与叶层中各个交换机设备的光纤拓扑路径，建立设备tn与脊层中各个交换机设备的光纤拓扑路径，得到新的光纤拓扑路径集合E1，判断更新后的网络拓扑G1(V1,E1)的调整带宽Bt1是否大于0，并在调整带宽Bt1大于0的情况下基于网络拓扑G1(V1,E1)再次更新，直至得到的网络拓扑Gx的调整带宽Btx不大于0，最后，将最终得出的网络拓扑Gx视为原网络拓扑G(V,E)的光电混合架构升级方案，并根据网络拓扑Gx计算出升级成本C。通过上述对于脊叶架构的升级方案，可以在满足带宽调整需求的同时，减少新设备投入量，有效降低升级成本。
附图说明
图1为本发明的第一种数据中心光电混合架构升级方法的流程图。
图2为本发明的第一种数据中心光电混合架构升级方法的原理图。
图3为本发明的第二种数据中心光电混合架构升级方法的流程图。
图4为本发明的第二种数据中心光电混合架构升级方法的原理图。
具体实施方式
以下结合本发明的附图，对本发明的技术方案以及技术效果做进一步的详细阐述。
本发明针对采用叶脊结构的电交换网络架构进行改进，原有电交换网络架构的脊层交换机与叶层交换机相连，叶层交换机同时连接着核心路由器和数据中心服务器。客户侧通过核心路由器经叶层、脊层交换机，与服务器发生信息交换。通常，客户的一个请求需要多台服务器联合处理，使得数据中心存在大量需要横穿机架的流量，也即东西向流量。大量的东西向流量给脊层、叶层交换机带来了极大的压力，会导致数据中心的链路利用率较高。
数据中心流量负载逐渐增大，由于叶层流量更具突发性，易发生丢包，故需对叶层的流量进行观测统计，以判断何时应该考虑网络迁移。
如图1和图2所示，本发明提供一种数据中心光电混合架构升级方法，步骤包括：
步骤S11，每隔T时间对叶脊架构网络中叶层交换机采集一次负载样本，并根据采集到的负载样本判断叶脊架构网络是否需要升级；
步骤S12，判断结果为叶脊架构网络需要进行升级时，获取叶脊架构网络的原网络拓扑G(V,E)以及原网络拓扑的交换机属性信息，其中，叶脊架构网络中叶层由ToR交换机组成，脊层由交换机EPS组成，V代表原网络拓扑中所有交换机的集合，E代表两台交换机之间连接的光纤拓扑路径集合；
步骤S13，获取网络迁移的目标带宽B、待添加至脊层的光交换设备集合ΛS和待添加至叶层的电交换设备集合ΛL，其中，光交换设备集合ΛS以及电交换设备集合ΛL均按设备成本升序排列，网络迁移的目标带宽B是由网络管理员给出的。
步骤S14，基于目标带宽B计算调整带宽Bt；
步骤S15，若Bt＞0，则根据调整带宽Bt从光交换设备集合ΛS中选取满足脊层入网要求的设备om添加至脊层，得到新的交换机集合V0；
步骤S16，顺序遍历交换机集合V0中叶层的ToR交换机，确定ToR交换机是否具有用于上行连接至设备om的冗余端口，并从电交换设备集合ΛL中选取满足叶层入网要求的设备tn替换不具有冗余端口的ToR交换机，得到新的交换机集合V1；
步骤S17，建立设备om与叶层中各个交换机设备的光纤拓扑路径，建立设备tn与脊层中各个交换机设备的光纤拓扑路径，得到新的光纤拓扑路径集合E1；
步骤S18，根据交换机集合V1和光纤拓扑路径集合E1得出更新后的网络拓扑G1(V1,E1)；
步骤S19，基于目标带宽B，判断更新后的网络拓扑G1(V1,E1)的调整带宽Bt1是否大于0，并在调整带宽Bt1大于0的情况下基于网络拓扑G1(V1,E1)再次更新，直至得到的网络拓扑Gx的调整带宽Btx不大于0；
步骤S110，将最终得出的网络拓扑Gx视为原网络拓扑G(V,E)的光电混合架构升级方案，并根据网络拓扑Gx计算出升级成本C。
步骤S11每隔T时间对叶脊架构网络中叶层交换机采集一次负载样本，并根据采集到的负载样本判断叶脊架构网络是否需要升级包括：
步骤S111，对叶层交换机每隔T时间采集一次负载样本fi，i∈[1,X]，X为采样总次数；
步骤S112，根据流量阈值a设置变量yi,i∈[1,X]，其中：
yi＝0,fi≤a,i∈[1,X] (1)
yi＝1,fi＞a,i∈[1,X] (2)
步骤S113，计算负载样本fi大于流量阈值a的频次α：
步骤S114，当α超过网络管理员设定的频次阈值时，确定判断结果为叶脊架构网络需要进行升级。
步骤S12所获取的交换机属性信息包括交换机类型Ti、新置设备Ni、设备成本Ci、端口数量Pi、最高端口速率端口状态/>端口方向/>I为交换机总数，其中：交换机类型Ti表示第i个交换机所属“位置”，Ti的取值为{0,1}，Ti＝0表示第i个交换机位于叶层面向服务器提供接入功能，Ti＝1表示第i个交换机位于脊层面向ToR提供路由转发功能；新置设备Ni表示第i个设备是否为升级时新加入的设备，Ni的取值为{0,1}，Ni＝1表示第i个交换机为升级过程中的新添加设备，Ni＝0表示第i个交换机为原有的交换机；Ci表示新添加设备的成本；Pi表示第i个交换机的机身上用于数据转发的端口总数；/>表示第i个交换机的第j个端口可提供的最高传输速率；/>的取值为{0,1}，/>表示第i个交换机的第j个端口未占用，/>表示第i个交换机的第j个端口已占用；/>的取值为{0,1}，/>表示第i个交换机的第j个端口为北向接口，/>表示第i个交换机的第j个端口为南向接口。如图2展示的一个小型的网络拓扑，叶层由五台ToR组成，每个ToR包含不同数量的1G端口和10G端口。其中，1G端口为南向接口，负责接入服务器；10G端口为北向接口，负责上行连接脊层交换机。其次，脊层由两台EPS组成，其10G端口与ToR的10G端口互联。
步骤S14中所提及的调整带宽Bt表示目标带宽与原网络南北向最高数据传输速率的差值，根据上述给出的交换机属性信息，步骤S15基于目标带宽B计算调整带宽Bt的计算公式为：
进一步地，步骤S15根据调整带宽Bt从光交换设备集合ΛS中选取满足脊层入网要求的设备om添加至脊层，得到新的交换机集合V0的具体操作为：
步骤S151，Bt＞0时，确定调整带宽Bt的数值为脊层的带宽扩展值；
步骤S152，顺序查找出光交换设备集合ΛS中第一台满足脊层入网要求的设备om，其中：
ΛS＝{o1,o2…,oM},m∈[1,M] (5)
其中，脊层入网要求包括：设备om的端口数目不小于G(V,E)中ToR交换机数目，以及设备om的南向接口速率与ToR交换机的北向接口速率相匹配；
步骤S153，将设备om加入集合V，得到交换机集合V0，并根据设备om的原始属性信息更新交换机集合V0的交换机属性信息；
步骤S154，将设备om从光交换设备集合ΛS内删除。
进一步地，步骤S16基于电交换设备集合ΛL中选取满足叶层入网要求的设备tn替换不具有冗余端口的ToR交换机的具体操作包括：
步骤S161，顺序遍历交换机集合V0中叶层的ToR交换机，计算每一台ToR交换机的冗余端口数目Dr：
步骤S162，若Dr＞0，则确认ToR交换机当前具有冗余端口，继续遍历下一台ToR交换机；
步骤S163，若Dr＝0，则确认ToR交换机当前不具有冗余端口，并顺序查找出电交换设备集合ΛL中第一台满足叶层入网要求的设备tn，其中：
ΛL＝{t1,t2…,tN},n∈[1,N] (7)
其中，叶层入网要求为基于交换机集合V1，设备tn的端口数目不小于脊层的交换机数目，若步骤S163没能找到符合要求的设备tn，则本次网络升级失败；
步骤S164，将不具有冗余端口的ToR交换机替换为设备tn，并将设备tn从电交换设备集合ΛL内删除；
步骤S165，将被替换掉的ToR交换机加入电交换设备集合ΛL；通过本步骤，可以将替换掉的交换机再次加以利用，以降低升级成本；
步骤S166，继续遍历下一台ToR交换机，直至叶层中所有的设备均具有冗余端口，形成新的交换机集合V1；
步骤S167，根据各个设备tn的原始属性信息更新交换机集合V1的交换机属性信息。
当确认ToR都可连接新设备后，步骤S17将各个新入网设备与原网络设备之间建立光纤拓扑路径，得到新的光纤拓扑路径集合E1；最终得出步骤S18中更新后的网络拓扑G1(V1,E1)。
进一步地，步骤S110根据网络拓扑Gx计算出升级成本的计算公式为：
C＝∑i(Ni×Ci)+∑i[Ni×(1-Ti)×MS×∑i(Ni×Ti)],j∈[0,Pi],i∈[0,I+IS]
其中，C为升级成本，MS为叶层设备北向接口光模块成本，IS为脊层的新增设备总数，设备成本集合ΘS对应表示光交换设备集合ΛS中各设备的成本，设备成本集合ΘL对应表示电交换设备集合中各设备的成本，相应地，网络拓扑Gx中设备om的设备成本Ci-om、以及设备tn的设备成本Ci-tn表示为：
Ci-om＝csm (9)
Ci-tn＝cln (10)
ΘS＝{cs1,cs2…,csM},m∈[1,M] (11)
ΘL＝{cl1,cl2…,clN},n∈[1,N] (12)
进一步地，在步骤S12完成所有信息获取后，还需基于叶层的下行带宽与上行带宽，计算网络超额订阅比例μ，即下行带宽与上行带宽之比，如图2所示，在示例网络中μ＝4:1。在进行网络迁移时应保证μ大于等于1。相应地，在步骤S19得出更新结束的网络拓扑Gx后，计算网络超占比μ＝4:3，μ大于等于1，可认为网络即为所求；否则，除去已经更换的设备，将叶层交换机按交换容量由小至大依次更换为新设备，直至网络超占比大于等于1。其中，交换机的交换容量即端口数量与相应端口速率相乘再乘2。
如图3和图4所示，本发明还提供另一种数据中心光电混合架构升级方法，与图1所示方案的不同之处在于，将升级成本的考虑更加细致化。具体实施步骤包括：
步骤S21，每隔T时间对叶脊架构网络中叶层交换机采集一次负载样本，并根据采集到的负载样本判断叶脊架构网络是否需要升级；
步骤S22，判断结果为叶脊架构网络需要进行升级时，获取叶脊架构网络的原网络拓扑G(V,E)以及原网络拓扑的交换机属性信息，其中，叶脊架构网络中叶层由ToR交换机组成，脊层由交换机EPS组成，V代表原网络拓扑中所有交换机的集合，E代表两台交换机之间连接的光纤拓扑路径集合；
步骤S23，获取网络迁移的目标带宽B、待添加至脊层的光交换设备集合ΛS、待添加至脊层的电交换设备集合ΛE和待添加至叶层的电交换设备集合ΛL，其中，光交换设备集合ΛS、电交换设备集合ΛE以及电交换设备集合ΛL均按设备成本升序排列；
步骤S24，基于目标带宽B计算调整带宽Bt；计算步骤参照前述公式(4)；
步骤S25，若Bt＞0，则根据调整带宽Bt从光交换设备集合ΛS以及电交换设备集合ΛE中选取成本最低的设备组合添加至脊层，得到新的交换机集合V0；
步骤S26，顺序遍历交换机集合V0中叶层的ToR交换机，确定ToR交换机是否具有用于上行连接至脊层新增设备的冗余端口，并从电交换设备集合ΛL中选取满足叶层入网要求的设备tn替换不具有冗余端口的ToR交换机，得到新的交换机集合V1；具体的实施过程参照前述步骤S161-S167；
步骤S27，建立脊层新增设备与叶层中各个交换机设备的光纤拓扑路径，建立设备tn与脊层中各个交换机设备的光纤拓扑路径，得到新的光纤拓扑路径集合E1；
步骤S28，根据交换机集合V1和光纤拓扑路径集合E1得出更新后的网络拓扑G1(V1,E1)；
步骤S29，基于目标带宽B，判断更新后的网络拓扑G1(V1,E1)的调整带宽Bt1是否大于0，并在调整带宽Bt1大于0的情况下基于网络拓扑G1(V1,E1)再次更新，直至得到的网络拓扑Gx的调整带宽Btx不大于0；
步骤S210，根据网络拓扑Gx计算出升级成本C；
步骤S211，若C≤Ct，将最终得出的网络拓扑Gx视为原网络拓扑G(V,E)的光电混合架构升级方案，Ct为给出的预算成本。
步骤S212，若C＞Ct，则原网络拓扑G(V,E)升级失败。
其中，步骤S25根据调整带宽Bt从光交换设备集合ΛS以及电交换设备集合ΛE中选取成本最低的设备组合添加至脊层，得到新的交换机集合V0包括：
步骤251，根据光交换设备集合ΛS以及电交换设备集合ΛE中所有的交换机设备，筛选出所有满足公式(11)的设备组合：
步骤252，计算步骤241所得的各个所述设备组合的投入成本，在计算投入成本时，需将光模块考虑在内；
步骤253，选取所投入成本最低的设备组合添加至脊层；
步骤254，将该设备组合加入集合V，得到交换机集合V0，并根据该设备组合的原始属性信息更新交换机集合V0的交换机属性信息。
如图4内所列出的第1、2、3种方式。在本例中，组合1为电交换设备集合ΛE中的两个交换机组合，组合2为光交换设备集合ΛS以及电交换设备集合ΛE中各一所组成的组合，组合3为光交换设备集合ΛS中的两个交换机组合，假设一台电交换机的成本为10000RMB，一台光交换机成本为10000RMB，10Gbps速率的光模块需要200RMB。经计算三种组合所需的设备成本分别为22000RMB、21000RMB以及20000RMB，相应地，投入成本最低的设备组合为组合3。
本发明技术方案在采用叶脊结构的数据中心电交换网络的背景下，解决在满足用户成本预算的基础上，如何将原有网络迁移至光电混合交换网络的问题。首先进行流量观测与统计，判断当前电交换网络是否需要进行升级，定期统计架顶交换机的流量负载，若其上负载频繁大于某一设定阈值，则判断该网络负载过重，应考虑升级；其次是计算迁移网络拓扑，基于现有负载，以及多条件的联合约束下，计算需要更替的旧设备数量以及添加的新设备数量。
通过本发明技术方案，可得出满足预期成本的电交换网络升级方案，本方案在预期的成本范围内，对脊层设备进行升级；充分考虑网络超占比和设备端口占用的情况下，对叶层设备进行升级；提供了以最小化成本进行网络迁移的数据中心光电混合架构升级方案。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种数据中心光电混合架构升级方法，其特征在于，包括：
S11，每隔T时间对叶脊架构网络中叶层交换机采集一次负载样本，并根据采集到的所述负载样本判断所述叶脊架构网络是否需要升级；
S12，判断结果为所述叶脊架构网络需要进行升级时，获取所述叶脊架构网络的原网络拓扑G(V,E)以及所述原网络拓扑的交换机属性信息，其中，所述叶脊架构网络中所述叶层由ToR交换机组成、脊层由交换机EPS组成，V代表所述原网络拓扑中所有交换机的集合，E代表所述叶脊架构网络内两台交换机之间连接的光纤拓扑路径集合；
S13，获取网络迁移的目标带宽B、待添加至所述脊层的光交换设备集合ΛS和待添加至所述叶层的电交换设备集合ΛL，其中，所述光交换设备集合ΛS以及所述电交换设备集合ΛL均按设备成本升序排列；
S14，基于所述目标带宽B计算调整带宽Bt；
S15，若Bt＞0，则根据所述调整带宽Bt从所述光交换设备集合ΛS中选取满足脊层入网要求的设备om添加至所述脊层，得到新的交换机集合V0；
S16，顺序遍历所述交换机集合V0中所述叶层的所述ToR交换机，确定所述ToR交换机是否具有用于上行连接至所述设备om的冗余端口，并从所述电交换设备集合ΛL中选取满足叶层入网要求的设备tn替换不具有所述冗余端口的所述ToR交换机，得到新的交换机集合V1；
S17，建立所述设备om与所述叶层中各个交换机设备的光纤拓扑路径，建立所述设备tn与所述脊层中各个交换机设备的光纤拓扑路径，得到新的光纤拓扑路径集合E1；
S18，根据所述交换机集合V1和光纤拓扑路径集合E1得出更新后的网络拓扑G1(V1,E1)；
S19，基于所述目标带宽B，判断所述更新后的网络拓扑G1(V1,E1)的调整带宽Bt1是否大于0，并在所述调整带宽Bt1大于0的情况下基于所述网络拓扑G1(V1,E1)再次更新，直至得到的网络拓扑Gx的调整带宽Btx不大于0；
S110，将最终得出的所述网络拓扑Gx视为所述原网络拓扑G(V,E)的光电混合架构升级方案，并根据所述网络拓扑Gx计算出升级成本C。
2.如权利要求1所述的数据中心光电混合架构升级方法，其特征在于，所述S11每隔T时间对叶脊架构网络中叶层交换机采集一次负载样本，并根据采集到的所述负载样本判断所述叶脊架构网络是否需要升级包括：
对所述叶层交换机每隔T时间采集一次负载样本fi，i∈[1,X]，X为采样总次数；根据流量阈值a设置变量yi,i∈[1,X]，其中：
yi＝0,fi≤a,i∈[1,X]
yi＝1,fi＞a,i∈[1,X]
计算所述负载样本fi大于所述流量阈值a的频次α：
当α超过网络管理员设定的频次阈值时，确定所述判断结果为所述叶脊架构网络需要进行升级。
3.如权利要求2所述的数据中心光电混合架构升级方法，其特征在于，所述交换机属性信息包括交换机类型Ti、新置设备Ni、设备成本Ci、端口数量Pi、最高端口速率端口状态端口方向/>I为交换机总数，其中：
Ti的取值为{0,1}，Ti＝0表示第i个交换机位于所述叶层，Ti＝1表示第i个交换机位于所述脊层；
Ni的取值为{0,1}，Ni＝1表示第i个交换机为升级过程中的新添加设备，Ni＝0表示第i个交换机为原有的交换机；
Ci表示所述新添加设备的成本；
Pi表示第i个交换机的机身上用于数据转发的端口总数；
表示第i个交换机的第j个端口可提供的最高传输速率；
的取值为{0,1}，/>表示第i个交换机的第j个端口未占用，/>表示第i个交换机的第j个端口已占用；
的取值为{0,1}，/>表示第i个交换机的第j个端口为北向接口，/>表示第i个交换机的第j个端口为南向接口。
4.如权利要求3所述的数据中心光电混合架构升级方法，其特征在于，所述S14基于所述目标带宽B计算调整带宽Bt的计算公式为：
5.如权利要求4所述的数据中心光电混合架构升级方法，其特征在于，所述S15根据所述调整带宽Bt从所述光交换设备集合ΛS中选取满足脊层入网要求的设备om添加至所述脊层，得到新的交换机集合V0包括：
Bt＞0时，确定所述调整带宽Bt的数值为所述脊层的带宽扩展值；
顺序查找出所述光交换设备集合ΛS中第一台满足所述脊层入网要求的设备om，其中：
ΛS＝{o1,o2…,oM},m∈[1,M]
所述脊层入网要求包括所述设备om的端口数目不小于所述G(V,E)中所述ToR交换机数目、以及所述设备om的南向接口速率与所述ToR交换机的北向接口速率相匹配；
将所述设备om加入所述集合V，得到所述交换机集合V0，并根据所述设备om的原始属性信息更新所述交换机集合V0的交换机属性信息；
将所述设备om从所述光交换设备集合ΛS内删除。
6.如权利要求5所述的数据中心光电混合架构升级方法，其特征在于，所述S16顺序遍历所述交换机集合V0中所述叶层的所述ToR交换机，确定所述ToR交换机是否具有用于上行连接至所述设备om的冗余端口，并从所述电交换设备集合ΛL中选取满足叶层入网要求的设备tn替换不具有所述冗余端口的所述ToR交换机，得到新的交换机集合V1包括：
顺序遍历所述交换机集合V0中所述叶层的所述ToR交换机，计算每一台所述ToR交换机的冗余端口数目Dr：
若Dr＞0，则确认所述ToR交换机当前具有所述冗余端口，继续遍历下一台所述ToR交换机；
若Dr＝0，则确认所述ToR交换机当前不具有所述冗余端口，并顺序查找出所述电交换设备集合ΛL中第一台满足所述叶层入网要求的设备tn，其中：
ΛL＝{t1,t2…,tN},n∈[1,N]
所述叶层入网要求为基于所述交换机集合V1，所述设备tn的端口数目不小于所述脊层的交换机数目；
将不具有所述冗余端口的所述ToR交换机替换为所述设备tn，并将所述设备tn从所述电交换设备集合ΛL内删除；
将被替换掉的所述ToR交换机加入所述电交换设备集合ΛL；
继续遍历下一台所述ToR交换机，直至所述叶层中所有的设备均具有所述冗余端口，形成新的交换机集合V1；
根据各个所述设备tn的原始属性信息更新所述交换机集合V1的交换机属性信息。
7.如权利要求6所述的数据中心光电混合架构升级方法，其特征在于，所述S110根据所述网络拓扑Gx计算出升级成本的计算公式为：
C＝∑i(Ni×Ci)+∑i[Ni×(1-Ti)×MS×∑i(Ni×Ti)],j∈[0,Pi],i∈[0,I+IS]
其中，C为升级成本，MS为叶层设备北向接口光模块成本，IS为所述脊层的新增设备总数，设备成本集合ΘS对应表示所述光交换设备集合ΛS中各设备的成本，设备成本集合ΘL对应表示所述电交换设备集合中各设备的成本，相应地，所述网络拓扑Gx中所述设备om的设备成本Ci-om、以及所述设备tn的设备成本Ci-tn表示为：
Ci-om＝csm
Ci-tn＝cln
ΘS＝{cs1,cs2…,csM},m∈[1,M]
ΘL＝{cl1,cl2…,clN},n∈[1,N]。
8.一种数据中心光电混合架构升级方法，其特征在于，包括：
S21，每隔T时间对叶脊架构网络中叶层交换机采集一次负载样本，并根据采集到的所述负载样本判断所述叶脊架构网络是否需要升级；
S22，判断结果为所述叶脊架构网络需要进行升级时，获取所述叶脊架构网络的原网络拓扑G(V,E)以及所述原网络拓扑的交换机属性信息，其中，所述叶脊架构网络中所述叶层由ToR交换机组成、脊层由交换机EPS组成，V代表所述原网络拓扑中所有交换机的集合，E代表所述叶脊架构网络内两台交换机之间连接的光纤拓扑路径集合；
S23，获取网络迁移的目标带宽B、待添加至所述脊层的光交换设备集合ΛS、待添加至所述脊层的电交换设备集合ΛE和待添加至所述叶层的电交换设备集合ΛL，其中，所述光交换设备集合ΛS、所述电交换设备集合ΛE以及所述电交换设备集合ΛL均按设备成本升序排列；
S24，基于所述目标带宽B计算调整带宽Bt；
S25，若Bt＞0，则根据所述调整带宽Bt从所述光交换设备集合ΛS以及所述电交换设备集合ΛE中选取成本最低的设备组合添加至所述脊层，得到新的交换机集合V0；
S26，顺序遍历所述交换机集合V0中所述叶层的所述ToR交换机，确定所述ToR交换机是否具有用于上行连接至脊层新增设备的冗余端口，并从所述电交换设备集合ΛL中选取满足叶层入网要求的设备tn替换不具有所述冗余端口的所述ToR交换机，得到新的交换机集合V1；
S27，建立所述脊层新增设备与所述叶层中各个交换机设备的光纤拓扑路径，建立所述设备tn与所述脊层中各个交换机设备的光纤拓扑路径，得到新的光纤拓扑路径集合E1；
S28，根据所述交换机集合V1和光纤拓扑路径集合E1得出更新后的网络拓扑G1(V1,E1)；
S29，基于所述目标带宽B，判断所述更新后的网络拓扑G1(V1,E1)的调整带宽Bt1是否大于0，并在所述调整带宽Bt1大于0的情况下基于所述网络拓扑G1(V1,E1)再次更新，直至得到的网络拓扑Gx的调整带宽Btx不大于0；
S210，根据所述网络拓扑Gx计算出升级成本C；
S211，若C≤Ct，将最终得出的所述网络拓扑Gx视为所述原网络拓扑G(V,E)的光电混合架构升级方案，Ct为预算成本。
9.如权利要求8所述的数据中心光电混合架构升级方法，其特征在于，所述S211之后，还包括：
S212，若C＞Ct，则所述原网络拓扑G(V,E)升级失败。
10.如权利要求9所述的数据中心光电混合架构升级方法，其特征在于，所述S25根据所述调整带宽Bt从所述光交换设备集合ΛS以及所述电交换设备集合ΛE中选取成本最低的设备组合添加至所述脊层，得到新的交换机集合V0包括：
根据所述光交换设备集合ΛS以及所述电交换设备集合ΛE中所有的交换机设备，筛选出所有满足公式的设备组合；
其中，交换机类型Ti的取值为{0,1}，Ti＝0表示第i个交换机位于所述叶层，Ti＝1表示第i个交换机位于所述脊层；端口方向的取值为{0,1}，/>表示第i个交换机的第j个端口为北向接口，/>表示第i个交换机的第j个端口为南向接口；端口状态/>的取值为{0,1}，/>表示第i个交换机的第j个端口未占用，/>表示第i个交换机的第j个端口已占用；最高端口速率/>表示第i个交换机的第j个端口可提供的最高传输速率；
计算所得的各个所述设备组合的投入成本，所述投入成本包括光模块成本；
选取所述投入成本最低的设备组合添加至所述脊层；
将所述投入成本最低的设备组合加入所述集合V，得到所述交换机集合V0，并根据所述设备组合的原始属性信息更新所述交换机集合V0的交换机属性信息。
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