CN116208571A - 具有高端口利用率的大规模网络 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及具有高端口利用率的大规模网络。一种数据通信系统包括多个互不相交的交换机集合，每个集合包括该集合中交换机的多个互不相交的子集。本地链路将每个子集中的交换机以全连接拓扑互连，而任何给定子集中的交换机都不会在单跳中连接到同一集合内的任何其他子集中的任何交换机。全局链路互连交换机的集合，每条全局链路将其中一个集合中的一个交换机连接到另一个集合中的另一个交换机，使得交换机的任何给定集合中的每个子集通过至少一个全局链路在单跳中连接到交换机的每个其他集合中的至少一个子集。
Description
技术领域
本发明一般涉及数据通信，具体地涉及高速、大规模计算机网络。
背景技术
高速计算机网络，例如数据中心网络和高性能计算(HPC)计算节点集群，包括在选定的互连拓扑中链接在一起的交换机。这样的拓扑包括例如网状、胖树(Fat-Tree FT)和蜻蜓(Dragonfly，DF)拓扑。术语“交换机”在本说明书的上下文和权利要求中广泛使用以指代各种网络交换节点，包括但不限于网桥和路由器。
例如，Kim等人在“技术驱动的高可扩展性蜻蜓拓扑(Technology-Driven,High-Scalable Dragonfly Topology)”，2008年计算机体系架构国际研讨会论文集(2008)，第77-88页中描述了蜻蜓拓扑。美国专利申请公布2010/0049942描述了一种蜻蜓处理器互连网络，该网络包括：多个处理器节点；多个路由器，每个路由器直接耦合到多个终端节点，路由器彼此耦合并排列成一个组；以及多组路由器，使得每组通过至少一个直接连接与每个其他组相连。
作为另一个示例，美国专利9,699,067描述了一种称为“蜻蜓+(Dragonfly Plus)”的拓扑，其公开内容通过引用并入本文。在这种拓扑结构中，通信网络包括多个节点，这些节点按组排列，使得每个组中的节点以二分拓扑互连，并且组以网状拓扑互连。节点被配置为通过在不遍历除源主机和目的主机之外的任何中间主机的路径上的节点之间路由分组来在源主机和各自的目的主机之间传送流量。
基于图论原理，“扩展器”网络拓扑已被提议作为传统数据中心网络的更优化替代方案。例如，Valadarsky等人在CoNEXT'16(2016年12月，加利福尼亚州尔湾)发表的“Xpander：迈向最优性能数据中心(Xpander:Towards Optimal-PerformanceDatacenters)”中描述了此类拓扑。作者通过理论计算和仿真表明，Xpander在吞吐量、带宽保证、对流量变化的鲁棒性、对故障的弹性、增量可扩展性和路径长度方面实现了“近乎最佳的性能”。
发明内容
下面描述的本发明的实施例提供了用于数据通信的改进的系统和方法。
因此，根据本发明的一个实施例，提供了一种数据通信系统，包括多个互不相交的交换机集合，每个集合包括该集合中的交换机的多个互不相交的子集。本地链路以全连接拓扑互连每个子集中的交换机，使得任何给定交换机集合的任何给定子集中的所有交换机都通过本地链路连接到给定子集中的所有其他交换机，而没有给定子集中的交换机在单跳中通过全局链路连接到给定集合内的任何其他子集中的任何交换机。全局链路将交换机集合互连。每个全局链路将集合中的一个集合的相应第一交换机连接到另一集合中的相应第二交换机，使得交换机集合中的任何给定交换机集合中的每个子集在单跳中通过全局链路中的至少一个全局链路连接到交换机集合中的每个其他交换机集合的子集中的至少一个子集。
在一个实施例中，在交换机的每个子集中，子集中的交换机中的第一交换机通过第一全局链路连接到其他集合中的第一集合中的交换机中的第一交换机，以及子集中的交换机的第二交换机通过第二全局链路连接到其他集合中的第二集合中的交换机中的第二交换机。
附加地或替代地，任何给定集合中的子集中的不同子集通过单跳中的相应全局链路连接到其他交换机集合中的子集中的不同的相应子集。
进一步附加地或替代地，任何给定的交换机集合中的至少一些子集没有通过全局链路在单跳中连接到每个其他交换机集合中的所有子集。在一个实施例中，每个交换机集合中的每个子集通过相应的一个全局链路在单跳中连接到交换机集合中的每个其他交换机集合中的子集中的单个相应子集。
在另一个实施例中，每个交换机集合中的所有子集通过相应的全局链路在单跳中连接到交换机集合中的每个其他交换机集合中的所有子集。
在一些实施例中，该系统包括路由管理器，该路由管理器被配置为定义用于通过本地链路和全局链路在系统中的交换机之间传输分组的路径，其中这些路径被限制为预定义的最大跳数。在所公开的实施例中，交换机被配置为在使用等于预定义最大跳数的数量的多个虚拟信道的路径上传输分组，同时通过虚拟信道在每个路径的每一跳上以预定义的序列转换。
根据本发明的一个实施例，还提供了一种通信方法，包括在多个互不相交的交换机集合中划分网络中的交换机，每个集合包括集合中的交换机的多个互不相交的交换机子集。每个子集中的交换机以全连接拓扑使用本地链路互连，使得任何给定交换机集合的任何给定子集中的所有交换机都通过本地链路连接到给定子集中的所有其他交换机，而给定子集中的所有交换机都没有在单跳中连接到给定集合内的任何其他子集中的任何交换机。交换机集合使用全局链路互连，使得每个全局链路将集合中的一个集合中的相应第一交换机连接到集合中的另一集合的相应第二交换机，并且使得交换机集合中的任何给定的交换机集合中的每个子集交换机通过至少一个全局链路在单跳中连接到交换机集合中的每个其他交换机集合的至少一个子集。
根据本发明的一个实施例，另外提供了一种数据通信系统，包括多个互不相交的交换机集合，每个集合包括该集合中的交换机的多个互不相交的子集。本地链路将每个子集中的交换机以完全连接的拓扑互连，而任何给定子集中的交换机都不会在单跳中通过全局链路连接到同一集合内的任何其他子集中的任何交换机。全局链路将交换机集合互连。每个全局链路将集合中的一个集合的一个交换机连接到集合中的另一个集合的另一个交换机，使得任何给定交换机集合中的每个子集通过至少一个全局链路在单跳中连接到每个其他交换机集合中的至少一个子集。
结合附图，通过以下实施例的详细描述，将更充分地理解本发明。
附图说明
图1是示意性地说明根据本发明的实施例的数据通信系统的框图；
图2是示意性地示出图1的系统的元件的细节的框图；以及
图3是示意性说明根据本发明实施例的用于在通信网络中路由分组的方法的流程图。
具体实施方式
网络拓扑的成本效益可以根据其“端口利用率”来衡量，其定义为
换句话说，端口利用率指定了连接给定数量主机所必须使用的电缆数量。由于电缆是高速网络成本的主要因素，因此希望端口利用率尽可能高，同时仍满足低通信延迟和高可靠性方面的性能要求。蜻蜓拓扑在数据中心网络和HPC集群中很受欢迎，因为它们在网络节点之间提供了高连接性和路由的简单性。然而，与较新的拓扑相比，例如上面提到的“Xpander”拓扑，蜻蜓网络在端口利用率方面较差。
在此描述的本发明的实施例提供新颖的网络拓扑，其提供与蜻蜓网络相当的低通信延迟并易于路由，同时实现更高的端口利用率。本实施例基于网络中交换机的完全连接的本地子集，如在蜻蜓网络中，但使这些子集之间的全局链路更稀疏、更优化地使用。
在所公开的实施例中，数据通信系统中的交换机被划分为多个互不相交的集合，并且每个这样的集合中的交换机被划分为多个互不相交的子集。在每个子集中，本地链路以全连接拓扑将交换机互连，这意味着任何给定子集中的所有交换机都以单跳方式连接到该子集中的所有其他交换机。然而，在任何给定集合内，任何给定子集中的交换机都不会在单跳中连接到给定集合内任何其他子集中的任何交换机。
不同的交换机集合通过全局链路互连，即每个全局链路将其中一个集合中的交换机连接到另一集合中的交换机。全局链路被布置为使得任何给定交换机集合中的每个子集通过至少一个全局链路在单跳中连接到每个其他交换机集合中的至少一个子集。选择全局链路的数量和连接性以优化端口利用率，同时满足低传输延迟和高故障恢复能力等性能目标。
在本说明书的上下文和权利要求中使用的术语“跳”是指一对网络设备之间的单个链路，分组在其通过网络的路径上穿过该单个链路。换句话说，如果分组在其通过网络的路径上穿过N个节点(包括源节点和目标节点)，它将覆盖N-1跳。在一些实施例中，为了实现高端口利用率，给定交换机集合中的至少一些子集通过全局链路在单跳中仅连接到其他交换机集合内的某些子集，而不是连接到所有子集。然而，为了保持低延迟和易于路由，给定交换机集合中的给定子集可以通过全局链路在单跳中连接到每个其他集合的多个子集。在一个实施例中，交换机的每个子集通过全局链路在单跳中连接到每个其他交换机集合中的子集之一。
现在参考图1和图2，其示意性地示出了根据本发明实施例的数据通信系统20。图1是表示系统概要的框图，图2是示意性地表示系统元件的细节的框图。
系统20包括交换机30的网络，交换机30被分成多个彼此不相交的集合22、24、26、28。这些集合中的每一个被分成许多彼此不相交的子集32、34、36。虽然网络20在这个示例包括四个交换机集合，每个集合中有三个交换机的三个子集，本实施例的原理可以类似地应用于更大或更小的网络，每个子集中具有更多或更少数量的交换机(但每个子集不少于两个交换机)，每个集合中具有更多或更少数量的子集。此外，尽管对称配置，例如图1所示，其中所有集合和子集的大小相等，更易于实现，但在替代实现方式中，一些集合和/或子集可以具有不同的大小。
如图2所示，每个交换机30包括多个端口38，它们通过交换逻辑50互连。每个端口38通常包括硬件电路，包括物理层(PHY)和媒体访问控制(MAC)接口电路。每个端口38连接到本地链路40或全局链路44。链路40和44通常包括电子或光通信电缆和/或电路迹线，尽管它们可替代地包括无线链路。一些本地链路40将交换机30连接到网络端节点，例如主机42(在图1的插图中标记为H1、H2、H3和H4)。交换逻辑50通过端口38接收传入的数据分组，并根据逻辑指令将分组通过其他端口38发送出去，这些逻辑指令例如存储在转发表52中。(当交换机30被配置为路由器时，转发表52包括一个路由表并且可以包含用于自适应路由的多个替代转发路径。)虽然交换逻辑50在图2中被示为简单的交叉连接，但实际上交换机30也可以包括更复杂的交换和路由逻辑以及缓冲存储器。
在集合22、24、26、28中的任何一个的每个子集32、34、36中，本地链路40以全连接拓扑互连子集中的交换机30，这意味着任何给定交换机集合的任何给定子集中的所有交换机在单跳中通过本地链路40连接到同一子集中的所有其他交换机。另一方面，任何给定子集32、34或36中的交换机都没有在单跳中连接到同一集合内的任何其他子集中的任何交换机。因此，例如，在集合24中，子集32中的所有交换机30通过本地链路40连接到子集32中的其他交换机，但是这些交换机中没有一个在单跳中连接到集合24中的子集34和36中的任何交换机。因此，要将分组从集合24中的子集32中的源路由到集24中的子集34中的目的地，有必要将分组从子集32传输到不同集合(22，26或28)中的交换机，然后该交换机通过一个或更多个附加跳将分组转发到目的地。
全局链路44互连交换机30的不同集合22、24、26和28。每个全局链路将集合中的一个集合中的相应交换机连接到另一个集合中的交换机。全局链路44被布置成使得任何给定交换机集合中的子集32、34和36中的每一个通过至少一个全局链路44在单跳中连接到交换机集合中的每个其他交换机集合的子集的至少一个子集。使用这种最低级别的连接性，每个集合22、24、26、28将通过多个全局链路44连接到每个其他交换机集合，每个全局链路44连接到集合中的不同的一个子集。如上所定义的，这种拓扑结构使得分组能够以高端口利用率在整个系统20中路由。
此外，在图1所示的拓扑中，在任何给定集合的每个子集32、34、36中，子集中的一个交换机40通过第一全局链路44连接到其他集合之一中的交换机，并且同一子集中的另一交换机通过第二全局链路44连接到其他集合中的不同集合中的交换机。例如，集合22的子集32中最左边的交换机30可以连接到集合28中的交换机，而该子集中的中间交换机连接到集合26中的交换机，并且最右边的交换机连接到集合24中的交换机。附加地或替代地，交换机30的任何给定集合22、24、26、28中的不同子集32、34、36通过相应的全局链路44在单跳中连接到每个其他交换机集合的不同的相应子集。这些条件在所有集合22、24、26、28的子集32、34、36之间提供了全局链路44的相对均匀分布，这近似于Xpander网络中链路的非确定性分布。
出于类似的原因，在一些实施例中，交换机30的任何给定集合22、24、26、28中的子集32、34、36中的至少一些子集没有通过全局链路在单跳中连接到每个其他交换机集合中的所有子集。在一个实施例中，给定的交换机集合中的每个子集通过全局链路在单跳中连接到每个其他交换机集合中的单个相应子集。因此，可能需要两个或更多跳来将分组从一个交换机集合中的给定子集传输到另一个交换机集合中的一个或更多个子集。然而，全局链路的布局使得交换机的所有子集之间都存在连接(包括多跳连接)。如前所述，在每个子集中，交换机30由本地链路40完全连接。
或者，如图1所示，可以使用更密集的全局链路44布局，在交换机30之间提供更紧密的连接，尽管仍然具有比蜻蜓网络更高的端口利用率。在这种情况下，每个集合22、24、26、28的每个子集32、34、36中的每个交换机30通过全局链路44连接到每个其他集合中的单个交换机。此外，任何给定集合的每个子集中的每个交换机都连接到其他集合中的每个集合的不同子集。因此，例如，在集合22的子集32中，最右边的交换机连接到集合24的子集32中的交换机；中间的交换机连接到集合24的子集34中的交换机，最左边的交换机连接到集合24的子集36中的交换机。其他子集类似地互连。这种拓扑结构有助于平衡网络流量负载，同时支持简单的路由规则，路径长度相对较短。
一旦定义了网络拓扑，路由管理器54(图2)就定义了系统20中每个源和目的地之间的分组传输路径，并将相应的路径信息加载到转发表52中。路由管理器54通常包括可编程的处理器56，具有存储器58和接口60，用于从系统20中的节点接收路由信息以及向系统20中的节点发送路由信息。路由管理器54的功能可以例如由通用计算机在合适的软件的控制下执行。该软件可以例如通过网络以电子形式下载到处理器56。附加地或替代地，软件可以存储在有形的、非暂时性的计算机可读介质上，例如电子、光学或磁性存储介质。
图3是示意性说明根据本发明实施例的用于在通信网络中路由分组的方法的流程图。为了具体和清楚起见，该方法是参照系统20的元件来描述的，并且由路由管理器54执行，如图1和图2所示。或者，本方法的原理可以有利地应用在其他网络中，其中交换机被划分为如上所述的集合和子集，使得在每个子集中，交换机通过本地链路完全连接，而没有同一集合中不同子集之间的单跳连接，全局链路互连不同集合的子集。本方法旨在将流量均匀地分布在网络中的链路上，同时避免可能出现的死锁，例如，当缓冲区因“信用循环(credit loop)”而填满时。
在长度设置步骤70，路由管理器54为要在系统20中路由的所有流设置最大路径长度。该最大路径长度指定在系统20中的源和目的地节点之间的任何路径上将允许的最大跳数，并且被设置为足够大的值以确保系统中的所有节点能够相互通信。增加最大路径长度能够使流量更均匀地分布在网络上，但代价是更大的延迟和可能增加交换机30中的存储器需求以适应更大数量的虚拟通道(如下所述)。
路由管理器54在对选择步骤中选择系统20中的源节点和目的地节点对。对于每一对，路由管理器54在路径识别步骤74应用路由算法以便识别在源节点和目的地节点之间具有小于或等于最大值的路径长度的所有路径。在路径分类步骤76，路径按长度分类，从连接所选源节点和目的地节点对的最短路径直到最大允许路径长度。在对覆盖步骤78，该路由过程一直持续到所有源节点和目的地节点对都已被覆盖。
基于在步骤76定义的路径集合，路由管理器54在路由步骤80为所有交换机30建立路由表。路由表通常包括到至少一些目的地的多个替代路径，从而使交换机30能够例如基于网络拥塞的报告自适应地为每个分组选择提供下一跳。以这种方式，交换机30将在系统20中的链路40和44之间均匀地分配流量。在构建路由表时，路由管理器54优先考虑较短的路径，同时避免任何链路的负担过重。路由信息由交换机30存储在相应的转发表52(图2)中。
为了避免可能的死锁，路由管理器54在虚拟通道(VC)分配步骤82指示交换机30在路由表中每个路径的每一跳上使用不同的VC。为此，例如，分组使用默认VC在每条路径上的第一跳上传输，该VC表示为VC0。在每个连续的跳上，VC都会递增，这意味着分组在第二跳使用VC1传输，在第三跳使用VC2传输，依此类推。因此，在沿任何给定路径的每一跳上，每个VC都确定性地转换到序列中的下一个VC，并且没有VC转换回VC0。此方案中所需的虚拟通道(包括VC0)的数量等于在步骤70设置的最大路径长度。虚拟通道沿每条路径的确定性单向进展确保在任何路径上不会出现信用循环。
应当理解，上述实施例是作为示例引用的，并且本发明不限于上文具体示出和描述的内容。而是，本发明的范围包括上文描述的各种特征的组合和子组合，以及本领域技术人员在阅读上述描述后会想到并且在现有技术中未公开的变化和修改。
Claims (20)
1.一种数据通信系统，包括：
多个互不相交的交换机集合，每个集合包括所述集合中的所述交换机的多个互不相交的子集；
本地链路，其以全连接拓扑互连每个所述子集中的所述交换机，使得任何给定交换机集合的任何给定子集中的所有交换机都通过所述本地链路连接到所述给定子集中的所有其他交换机，而所述给定子集中的所述交换机都没有在单跳中连接到所述给定集合内的任何其他子集中的任何交换机；以及
将所述交换机集合互连的全局链路，每个全局链路将所述集合中的一个集合的相应的第一交换机连接到所述集合中的另一个集合的相应的第二交换机，使得所述交换机集合中的任何给定交换机集合中的每个子集通过至少一个所述全局链路在单跳中连接到所述交换机集合中的每个其他交换机集合中的至少一个子集。
2.根据权利要求1所述的系统，其中在所述交换机的每个子集中，所述子集中的所述交换机中的第一交换机通过第一全局链路连接到其他集合中的第一集合中的交换机中的第一交换机，并且所述子集中的所述交换机中的第二交换机通过第二全局链路连接到其他集合中的第二集合中的交换机中的第二交换机。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述集合中的任何给定集合中的子集中的不同子集通过所述全局链路中的相应全局链路在单跳中连接到其他交换机集合的所述子集中的不同的相应子集。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述交换机集合中的任何给定交换机集合中的至少一些子集没有通过所述全局链路在单跳中连接到所述交换机集合中的每个其他交换机集合中的所有子集。
5.根据权利要求4所述的系统，其中每个所述交换机集合中的每个子集通过所述全局链路中的相应全局链路在单跳中连接到所述交换机集合中的每个其他交换机集合中的所述子集中的单个相应的子集。
6.根据权利要求1所述的系统，其中每个交换机集合中的所有子集通过所述全局链路中的相应全局链路在单跳中连接到所述交换机集合中的每个其他交换机集合中的所有子集。
7.根据权利要求1所述的系统，并且包括路由管理器，所述路由管理器被配置为定义用于在所述系统中的交换机之间通过所述本地链路和所述全局链路传输分组的路径，其中所述路径被限制为预定义的最大跳数。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述交换机被配置为在使用数量等于所述预定义的最大跳数的多个虚拟信道的所述路径上传输所述分组，同时在每个所述路径的每跳上以预定义序列通过所述虚拟信道转换。
9.一种通信方法，包括：
在多个互不相交的交换机集合中对网络中的交换机进行分区，每个集合包括所述集合中的所述交换机的多个互不相交的子集；
以全连接拓扑使用本地链路互连每个所述子集中的所述交换机，使得任何给定交换机集合的任何给定子集中的所有交换机都通过所述本地链路连接到所述给定子集中的所有其他交换机，而所述给定子集中的所有交换机都没有在单跳中连接到所述给定集合内的任何其他子集中的任何交换机；以及
使用全局链路互连所述交换机集合，使得每个全局链路将所述集合中的一个集合的相应的第一交换机连接到所述集合中的另一个集合中的相应的第二交换机，并且使得所述交换机集合中的任何给定交换机集合的每个子集通过至少一个所述全局链路在单跳中连接到所述交换机集合中的每个其他交换机集合中的所述子集的至少一个子集。
10.根据权利要求9所述的方法，其中互连所述交换机集合包括：通过第一全局链路将所述交换机的每个子集中的所述交换机中的第一交换机连接到其他集合中的第一集合中的所述交换机中的第一交换机，以及通过第二全局链路将所述子集中的所述交换机中的第二交换机连接到所述其他集合中的第二集合中的所述交换机中的第二交换机。
11.根据权利要求9所述的方法，其中互连所述交换机集合包括：通过所述全局链路中的相应全局链路在单跳中将所述集合中的任何给定集合中的子集中的不同子集连接到其他交换机集合的所述子集中的不同的相应子集。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述交换机集合中的任何给定交换机集合中的至少一些子集没有通过所述全局链路在单跳中连接到所述交换机集合中的每个其他交换机集合中的所有子集。
13.根据权利要求12所述的方法，其中互连所述交换机集合包括：通过所述全局链路中的相应全局链路在单跳中将每个所述交换机集合中的每个子集连接到所述交换机集合中的每个其他交换机集合中的所述子集中的单个相应子集。
14.根据权利要求9所述的方法，其中互连所述交换机集合包括：通过所述全局链路中的相应全局链路在单跳中将每个所述交换机集合中的所有子集连接到所述交换机集合中的每个其他交换机集合中的所有子集。
15.根据权利要求9所述的方法，并且包括定义用于通过所述本地链路和所述全局链路在所述网络中的交换机之间传输分组的路径，其中所述路径被限制为预定义的最大跳数。
16.根据权利要求15所述的方法，并且包括在使用数量等于预定义的最大跳数的多个虚拟信道的所述路径上在所述交换机之间传输所述分组，同时在每个所述路径的每跳上以预定义序列通过所述虚拟信道转换。
17.一种数据通信系统，包括：
多个互不相交的交换机集合，每个集合包括所述集合中的所述交换机的多个互不相交的子集；
本地链路，其以全连接拓扑互连每个所述子集中的所述交换机，而任何给定子集中的交换机都不会在单跳中连接到同一集合内的任何其他子集中的任何交换机；以及
将所述交换机集合互连的全局链路，每个全局链路将所述集合中的一个集合中的一个交换机连接到所述集合中的另一个集合中的另一个交换机，使得任何给定交换机集合中的每个子集通过至少一个全局链路在单跳中连接到每个其他交换机集合中的至少一个子集。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述交换机集合中的任何给定交换机集合中的至少一些子集没有通过所述全局链路在单跳中连接到所述交换机集合中的每个其他交换机集合中的所有子集。
19.根据权利要求17所述的系统，其中每个所述交换机集合中的所有子集通过所述全局链路中的相应全局链路在单跳中连接到所述交换机集合中的每个其他交换机集合中的所有子集。
20.根据权利要求17所述的系统，并且包括路由管理器，所述路由管理器被配置为定义用于通过所述本地链路和所述全局链路在所述系统中的交换机之间传输分组的路径，其中所述路径被限制为预定义的最大跳数。
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