CN117176589B - 一种低开销的数据中心网络系统及其构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于云计算技术领域，公开了一种低开销的数据中心网络系统及其构建方法，数据中心网络以交换超立方体为基础，每个第一种基本部署单元中仅有一个服务器与第二种基本部署单元中的一个服务器相连，第一种基本部署单元中的其它服务器分别与和第一种基本部署单元相邻的第一种基本部署单元中的服务器相连；每个第二种基本部署单元中仅有一个服务器与第一种基本部署单元中的一个服务器相连，第二种基本部署单元中的其它的服务器分别与和第二种基本部署单元相邻的第二种基本部署单元中的服务器相连。本发明仅使用廉价的低端口商品交换机和双端口服务器构建数据中心网络，具有低开销的优点，满足构建大规模数据中心的需要。

Description

一种低开销的数据中心网络系统及其构建方法

技术领域

本发明属于云计算技术领域，具体的说是涉及一种低开销的数据中心网络系统及其构建方法。

背景技术

作为“新基建”的七大领域之一，数据中心是国家未来发展建设的重点方向。中国的产业数字化和数字产业化将推动数据中心向新的阶段跃迁。数据中心是云计算的核心基础设施，是提供许多网络服务和基础设施服务的基础。数据中心网络需要互连数据中心中的大量交换机和服务器，很大程度上影响数据中心的性能。随着数据中心规模的快速增长，数据中心网络需要具有很高的可扩展性以满足不断增长的需求。同时，数据中心构建的成本效益问题也愈发重要，这对数据中心网络的构建提出了新的挑战。

传统的数据中心网络需要使用具有较多端口数的交换机和服务器，具有较高的成本。为了降低成本，数据中心的快速扩展要求它们能够使用成熟的商业网络设备进行横向扩展，而不是使用昂贵的高性能设备。

交换超立方体(Exchanged Hypercube)是超立方体的一个变体，通过删除超立方体的边得到，是一种优秀的互连结构，具有高可扩展性、低直径和高连通度等优秀性质。互连网络的研究在并行计算和超级计算机中有很好的应用，将互连网络的构建策略应用在数据中心网络中具有很好的前景。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种低开销的数据中心网络系统及其构建方法，以交换超立方体结构为基础进行数据中心网络的系统设计，以满足构建大规模数据中心的需要。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明是一种低开销的数据中心网络系统及其构建方法，使用(s+1)端口交换机连接s+1个双端口服务器，作为网络中的第一种基本部署单元，每个第一种基本部署单元对应交换超立方体EH(s,t)的一个度数为s+1的顶点；使用(t+1)端口交换机连接t+1个双端口服务器，作为网络中的第二种基本部署单元，每个第二种基本部署单元对应交换超立方体EH(s,t)的一个度数为t+1的顶点；对于交换超立方体EH(s,t)的两个相邻顶点，使其中一个顶点对应的基本部署单元中的任意一个服务器和另一个顶点对应的基本部署单元中的任意一个服务器相连；所述数据中心网络以交换超立方体EH(s,t)为基础，表示为EHDC(s,t)；所述第一种基本部署单元中有且仅有一个服务器与和所述第一种基本部署单元相邻的第二种基本部署单元中的一个服务器相连，所述第一种基本部署单元中的其它的s个服务器分别与和所述第一种基本部署单元相邻的s个第一种基本部署单元中的服务器相连；所述第二种基本部署单元中有且仅有一个服务器与和所述第二种基本部署单元相邻的第一种基本部署单元中的一个服务器相连，所述的第二种基本部署单元中的其它的t个服务器分别与和所述第二种基本部署单元相邻的t个第二种基本部署单元中的服务器相连。

进一步的，所述数据中心网络中的服务器编号可以用字符串来表示；所用字符串为(a_s…a₁b_t…b₁c；d)，其中，a_s…a₁b_t…b₁c表示服务器所属的基本部署单元对应的交换超立方体顶点的编号；c表示服务器属于第一种基本部署单元还是第二种基本部署单元，具体来说，如果c＝0，则表示服务器属于第一种基本部署单元；如果c＝1，则表示服务器属于第二种基本部署单元；d表示所述服务器在其所属的基本部署单元的所有服务器中的序号，其中，a_i,b_j,c∈{0,1}，1≤i≤s，1≤j≤t。如果c＝0，则1≤d≤s+1；如果c＝1，则1≤d≤t+1。

进一步的，所述数据中心网络中的交换机编号可以用字符串来表示；所用字符串为：(x_s…x₁y_t…y₁z；0)，其中x_s…x₁y_t…y₁z表示交换机所属的基本部署单元对应的交换超立方体顶点的编号；z表示交换机属于第一种基本部署单元还是第二种基本部署单元，具体来说，如果z＝0，则表示交换机属于第一种基本部署单元，和s+1个双端口服务器相连；如果z＝1，则表示交换机属于第二种基本部署单元，和t+1个双端口服务器相连；编号的最后一位是0表示设备是交换机，其中x_i,y_j,z∈{0,1}，1≤i≤s，1≤j≤t。

进一步的，所述数据中心网络中交换机和服务器相连时，交换机的编号为(a_s…a₁b_t…b₁c；0)，服务器编号为(a_s…a₁b_t…b₁c；d)，其中a_i,b_j,c∈{0,1}，1≤i≤s，1≤j≤t。如果c＝0，则1≤d≤s+1；如果c＝1，则1≤d≤t+1。

进一步的，所述数据中心网络中编号为(a_s…a₁b_t…b₁c；d)的服务器和编号为(g_s…g₁h_t…h₁m；n)的服务器相连时，需要满足以下3个条件中的任意一个条件：

(1)a_s…a₁b_t…b₁＝g_s…g₁h_t…h₁，d＝n＝1；

(2)a_s…a₁＝g_s…g₁，c＝m＝1，d＝n，2≤d≤t+1，且b_t…b₁和h_t…h₁中只存在一位不相等；

(3)b_t…b₁＝h_t…h₁，c＝m＝0，d＝n，2≤d≤s+1，且a_s…a₁和g_s…g₁中只存在一位不相等。

其中，a_i,b_j,g_i,h_j,c,m∈{0,1}，1≤i≤s，1≤j≤t。如果c＝0，则1≤d≤s+1；如果c＝1，则1≤d≤t+1。如果m＝0，则1≤n≤s+1；如果m＝1，则1≤n≤t+1。表示如果y＝1，则x＝0；如果y＝0，则x＝1。

进一步的，所述数据中心网络中包含所述(s+1)端口交换机的数量为：2^s+t，其中，1≤s，1≤t。

进一步的，所述数据中心网络中包含所述(t+1)端口交换机的数量为：2^s+t，其中，1≤s，1≤t。

进一步的，所述数据中心网络中包含所述服务器的数量为：2^s+t(s+t+2)，其中，1≤s，1≤t。

进一步的，所述数据中心网络中包含链路的数量为：3×2^s+t-1(s+t+2)，其中，1≤s，1≤t。

本发明的有益效果：本发明提出了一种低开销的数据中心网络系统及其构建方法，旨在解决云计算技术领域中数据中心网络的拓扑结构设计问题。具体具有如下优点：

(1)低开销：本发明构建的数据中心网络使用端口数较少的廉价商品交换机和双端口服务器构建大规模数据中心网络，使用的设备价格低，具有成本优势。

(2)高可扩展性：本发明构建的数据中心网络可以根据用户的需要扩大数据中心的规模，能够容纳大量的服务器，满足构建大规模数据中心的需要。

(3)灵活性：本发明构建的数据中心网络可以在构建容纳相同数量的服务器的网络的同时，根据实际需要提供具有不同拓扑结构的数据中心网络，具有很高的灵活性。

附图说明

图1是本发明中数据中心网络系统构建方法的流程图。

图2是本发明EH(1,2)的结构示意图。

图3是本发明基于EH(1,2)构建的数据中心网络EHDC(1,2)的结构示意图。

图4是本发明基于EH(1,3)构建的数据中心网络EHDC(1,3)的结构示意图。

图5是本发明基于EH(2,2)构建的数据中心网络EHDC(2,2)的结构示意图。

具体实施方式

以下将以图式揭露本发明的实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。

如图1所示，本发明提出一种低开销的数据中心网络系统的构建方法，该构建方法具体为：使用(s+1)端口交换机连接s+1个双端口服务器，作为网络中的第一种基本部署单元，每个第一种基本部署单元对应交换超立方体EH(s,t)的一个度数为s+1的顶点；使用(t+1)端口交换机连接t+1个双端口服务器，作为网络中的第二种基本部署单元，每个第二种基本部署单元对应交换超立方体EH(s,t)的一个度数为t+1的顶点；对于交换超立方体EH(s,t)的两个相邻顶点，使其中一个顶点对应的基本部署单元中的任意一个服务器和另一个顶点对应的基本部署单元中的任意一个服务器相连。

本发明的数据中心网络以交换超立方体EH(s,t)为基础，表示为EHDC(s,t)；所述第一种基本部署单元中有且仅有一个服务器与和所述第一种基本部署单元相邻的第二种基本部署单元中的一个服务器相连，所述的第一种部署单元中的其它的s个服务器分别与和所述第一种基本部署单元相邻的s个第一种基本部署单元中的服务器相连；所述第二种基本部署单元中有且仅有一个服务器与和所述第二种基本部署单元相邻的第一种基本部署单元中的一个服务器相连，所述第二种基本部署单元中的其它的t个服务器分别与和所述第二种基本部署单元相邻的t个第二种基本部署单元中的服务器相连。

本实施例中的服务器编号用字符串来表示；所用字符串为(a_s…a₁b_t…b₁c；d)，其中，a_s…a₁b_t…b₁c表示服务器所属的基本部署单元对应的交换超立方体顶点的编号；c表示服务器属于第一种基本部署单元还是第二种基本部署单元，具体来说，如果c＝0，则表示服务器属于第一种基本部署单元；如果c＝1，则表示服务器属于第二种基本部署单元；d表示所述服务器在其所属的基本部署单元的所有服务器中的序号，其中a_i,b_j,c∈{0,1}，1≤i≤s，1≤j≤t。如果c＝0，则1≤d≤s+1；如果c＝1，则1≤d≤t+1。

如图3所示的EHDC(1,2)，按照上述服务器的编号规则给各服务器编号。因为s＝1，t＝2，所以服务器的编号为(a₁b₂b₁c；d)，如对于编号为(0000；1)和(0000；2)的两个服务器，它们属于同一个第一种基本部署单元，这个基本部署单元对应图2中EH(1,2)的编号为(0000)的顶点，这个顶点的度数是2。对于编号为(0001；1)、(0001；2)和(0001；3)的三个服务器，它们属于同一个第二种基本部署单元，这个基本部署单元对应图2中EH(1,2)的编号为(0001)的顶点，这个顶点的度数是3。

本实施例中的交换机编号可以用字符串来表示；所用字符串为(x_s…x₁y_t…y₁z；0)，其中x_s…x₁y_t…y₁z表示交换机所属的基本部署单元对应的交换超立方体顶点的编号；z表示交换机属于第一种基本部署单元还是第二种基本部署单元，具体来说，如果z＝0，则表示交换机属于第一种基本部署单元；如果z＝1则表示交换机属于第二种基本部署单元；编号的最后一位是0表示设备是交换机，其中x_i,y_j,z∈{0,1}，1≤i≤s，1≤j≤t。

如图3所示的EHDC(1,2)，按照上述交换机的编号规则给各交换机编号。因为s＝1，t＝2，所以交换机的编号为(x₁y₂y₁z；0)，如对于编号为(0000；0)的交换机，它属于一个第一种基本部署单元。这个基本部署单元对应图2中EH(1,2)的编号为(0000)的顶点。对于编号为(0001；0)的交换机，它属于一个第二种基本部署单元。这个基本部署单元对应图2中EH(1,2)的编号为(0001)的顶点。

所述数据中心网络中交换机和服务器相连时，交换机的编号为(a_s…a₁b_t…b₁c；0)，服务器编号为(a_s…a₁b_t…b₁c；d)，其中a_i,b_j,c∈{0,1}，1≤i≤s，1≤j≤t，如果c＝0，则1≤d≤s+1，如果c＝1，则1≤d≤t+1。如图3所示的EHDC(1,2)，交换机(0011；0)分别和服务器(0011；1)、(0011；2)以及(0011；3)相连。

本实施例中编号为(a_s…a₁b_t…b₁c；d)的服务器和编号为(g_s…g₁h_t…h₁m；n)的服务器相连时，需要满足以下3个条件中的任意一个条件：

(1)a_s…a₁b_t…b₁＝g_s…g₁h_t…h₁，d＝n＝1；

(2)a_s…a₁＝g_s…g₁，c＝m＝1，d＝n，2≤d≤t+1，且b_t…b₁和h_t…h₁中只存在一位不相等；

(3)b_t…b₁＝h_t…h₁，c＝m＝0，d＝n，2≤d≤s+1，且a_s…a₁和g_s…g₁中只存在一位不相等。

其中，a_i,b_j,g_i,h_j,c,m∈{0,1}，1≤i≤s，1≤j≤t。如果c＝0，则1≤d≤s+1；如果c＝1，则1≤d≤t+1。如果m＝0，则1≤n≤s+1；如果m＝1，则1≤n≤t+1。表示如果y＝1，则x＝0；如果y＝0，则x＝1。

在本发明实施例中，数据中心网络EHDC(s,t)中包含(s+1)端口交换机的数量为：2^s+t，其中，1≤s，1≤t；包含(t+1)端口交换机的数量为：2^s+t，其中，1≤s，1≤t；包含双端口服务器的数量为：2^s+t(s+t+2)，其中，1≤s，1≤t；包含链路的数量为：3×2^s+t-1(s+t+2)，其中，1≤s，1≤t。

如图3所示的EHDC(1,2)，交换机的端口数分别为2和3，2端口交换机和3端口交换机的数量都是8，双端口服务器的数量为40，链路数量为60。EHDC(1,2)中的每个基本部署单元都对应交换超立方体EH(1,2)的一个顶点，且每个基本部署单元中交换机和服务器的编号会比交换超立方体对应顶点的编号多一位，如交换超立方体的顶点(0000)和与它对应的基本部署单元中包含的交换机(0000；0)以及两个服务器(0000；1)、(0000；2)。因为服务器(0000；1)和服务器(0001；1)满足上述服务器相连时的3个条件中的第1个条件，所以这两个服务器之间存在链路。因为服务器(0001；2)和服务器(0011；2)满足上述服务器相连时的3个条件中的第2个条件，所以这两个服务器之间存在链路。因为服务器(0000；2)和服务器(1000；2)满足上述服务器相连时的3个条件中的第3个条件，所以这两个服务器之间存在链路。

图4和图5分别是基于交换超立方体EH(1,3)和EH(2,2)构建的数据中心网络EHDC(1,3)和EHDC(2,2)。EHDC(1,3)分别使用2端口交换机和4端口交换机构建数据中心网络，而EHDC(2,2)只使用3端口交换机构建数据中心网络。虽然使用端口数不同的交换机，但是，两个网络都容纳96个双端口服务器。

本发明构建的数据中心网络EHDC(s,t)以交换超立方体EH(s,t)为基础，充分利用交换超立方体结构的优秀性质，可以使用廉价的低端口商品交换机和双端口服务器来构建大规模数据中心，例如，通过使用9端口交换机和双端口服务器构建的数据中心网络EHDC(8,8)可以容纳1179648个服务器。本发明构建的数据中心网络使用的设备成本低，具有价格优势，可以满足构建大规模数据中心网络的需要。

以上所述仅为本发明的实施方式而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种低开销的数据中心网络系统，其特征在于：所述数据中心网络系统的拓扑结构以交换超立方体EH(s，t)为基础，表示为EHDC(s，t)，包括第一种基本部署单元和第二种基本部署单元，使用(s+1)端口交换机连接s+1个双端口服务器，作为数据中心网络系统中的第一种基本部署单元，每个第一种基本部署单元对应交换超立方体EH(s，t)的一个度数为s+1的顶点，使用(t+1)端口交换机连接t+1个双端口服务器，作为网络中的第二种基本部署单元，每个第二种基本部署单元对应交换超立方体EH(s，t)的一个度数为t+1的顶点，所述第一种基本部署单元中有且仅有一个服务器与和所述第一种基本部署单元相邻的第二种基本部署单元中的一个服务器相连，所述第一种基本部署单元中的其它的s个服务器分别与和所述第一种基本部署单元相邻的s个第一种基本部署单元中的服务器相连；所述第二种基本部署单元中有且仅有一个服务器与和所述第二种基本部署单元相邻的第一种基本部署单元中的一个服务器相连，所述第二种基本部署单元中的其它的t个服务器分别与和所述第二种基本部署单元相邻的t个第二种基本部署单元中的服务器相连。

2.根据权利要求1所述的一种低开销的数据中心网络系统，其特征在于：所述服务器的编号用字符串来表示，所用字符串为：(a_s...a₁b_t...b₁c；d)，其中，a_s...a₁b_t...b₁c表示服务器所属的基本部署单元对应的交换超立方体顶点的编号，c表示服务器属于第一种基本部署单元或第二种基本部署单元，如果c＝0，则表示服务器属于第一种基本部署单元，如果c＝1则表示服务器属于第二种基本部署单元，d表示所述服务器在其所属的基本部署单元的所有服务器中的序号，其中a_i，b_j，c∈{0，1}，1≤i≤s，1≤j≤t，如果c＝0，则1≤d≤s+1，如果c＝1，则1≤d≤t+1。

3.根据权利要求2所述的一种低开销的数据中心网络系统，其特征在于：所述交换机的编号用字符串来表示，所用字符串为：(x_s...x₁y_t...y₁z；0)，其中x_s...x₁y_t...y₁z表示交换机所属的基本部署单元对应的交换超立方体顶点的编号，z表示交换机属于第一种基本部署单元还是第二种基本部署单元，如果z＝0，则表示交换机属于第一种基本部署单元，如果z＝1，则表示交换机属于第二种基本部署单元；编号的最后一位是0表示设备是交换机，其中，x_i，y_j，z∈{0，1}，1≤i≤s，1≤j≤t。

4.根据权利要求3所述的一种低开销的数据中心网络系统，其特征在于：所述数据中心网络中交换机和服务器相连时，交换机的编号为(a_s...a₁b_t...b₁c；0)，服务器的编号为(a_s...a₁b_t...b₁c；d)，其中a_i，b_j，c∈{0，1}，1≤i≤s，1≤j≤t，如果c＝0，则1≤d≤s+1；如果c＝1，则1≤d≤t+1。

5.根据权利要求4所述的一种低开销的数据中心网络系统，其特征在于：所述数据中心网络中编号为(a_s...a₁b_t...b₁c；d)的服务器和编号为(g_s...g₁h_t...h₁m；n)的服务器相连时，需要满足以下3个条件中的一个条件：

1)a_s...a₁b_t...b₁＝g_s...g₁h_t...h₁，d＝n＝1；

2)a_s...a₁＝g_s...g₁，c＝m＝1，d＝n，2≤d≤t+1，且b_t...b₁和h_t...h₁中只存在一位不相等；

3)b_t...b₁＝h_t...h₁，c＝m＝0，d＝n，2≤d≤s+1，且a_s...a₁和g_s...g₁中只存在一位不相等，其中，a_i，b_j，g_i，h_j，c，m∈{0，1}，1≤i≤s，1≤j≤t，如果c＝0，则1≤d≤s+1；如果c＝1，则1≤d≤t+1，如果m＝0，则1≤n≤s+1；如果m＝1，则1≤n≤t+1，/>表示如果y＝1，则x＝0；如果y＝0，则x＝1。

6.根据权利要求5所述的一种低开销的数据中心网络系统，其特征在于：所述数据中心网络EHDC(s，t)中包含(s+1)端口交换机的数量为：2^s+t；包含(t+1)端口交换机的数量为：2^{s +t}；包含双端口服务器的数量为：2^s+t(s+t+2)；包含链路的数量为：3×2^s+t-1(s+t+2)，其中：1≤s，1≤t。

7.根据权利要求1所述一种低开销的数据中心网络系统，其特征在于：所述数据中心网络系统的构建方法包括如下步骤：

步骤1、使用(s+1)端口交换机连接s+1个双端口服务器，作为网络中的第一种基本部署单元，每个第一种基本部署单元对应交换超立方体EH(s，t)的一个度数为s+1的顶点；

步骤2、使用(t+1)端口交换机连接t+1个双端口服务器，作为网络中的第二种基本部署单元，每个第二种基本部署单元对应交换超立方体EH(s，t)的一个度数为t+1的顶点；

步骤3、对于交换超立方体EH(s，t)的两个相邻顶点，使其中一个顶点对应的基本部署单元中的任意一个服务器和另一个顶点对应的基本部署单元中的任意一个服务器相连，所有的双端口服务器的第一个端口用于连接其所在基本部署单元中的交换机，第二个端口用于连接其他基本部署单元中的服务器。