CN1514591A - 高速、高性价比的多分支胖树网络拓扑结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高速、高性价比的多分支胖树网络拓扑结构，当网络中结点的数目增加到一定规模时，便产生出一种用于交换机之间互连的网络拓扑互连技术，该拓扑结构采用胖树拓扑与全网拓扑综合互连的方式，即每一分支采用胖树互连，而各分支之间采用全网互连。根据分支个数的不同可命名为二分支胖树、三分支胖树和四分支胖树。本发明的多分支胖树网络拓扑结构与无阻塞胖树网络拓扑结构相比，在采用相同交换机个数情况下，可以使网络集群规模增大和通讯延迟降低，整体投资性价比得到显著提高。
Description
1、技术领域
本发明涉及计算机和通信领域，是一种胖树网络拓扑体系结构，特别的是一种由胖树拓扑和全网拓扑综合互连而成的多分支胖树拓扑结构。
2、技术背景
随着网络技术的不断发展和网络规模的爆炸式增长，尤其是构建大规模计算机集群体系，需要把交换机进行堆叠来提供支持更多的端口数。为此要进行交换机堆叠的拓扑设计来满足实际的应用需要。
交换机堆叠的拓扑设计的方法很多，也有很多已经成形的拓扑结构，如全网结构、超立方结构、胖树结构、蝶树结构等等。设计网络拓扑结构最关心的几个问题是带宽、延迟和价格问题，如果只考虑网络性能而不考虑整体价格或者只考虑价格而不考虑网络性能都是不实际的。以16端口交换机为例，如果设计一个无阻塞的512个端口网络拓扑结构，要使用160个交换机通过胖树拓扑互连来实现。虽然端口间通信无阻塞，但线路过于烦琐，增加了布线及检修维护的难度。而且端口利用率只有20％，整体投资相当昂贵，实用价值不是很高。
目前并不是所用的应用都需要完全无阻塞的网络拓扑结构，往往在区域范围内端口通讯流量很大而要求很大的带宽和很小的延迟，而区域与区域之间通讯流量并不是很高。而本发明胖树拓扑和全网拓扑综合互连而成的多分支胖树拓扑结构正好能适应此应用要求并且使局域网的数据碰撞最小化保证了传输质量，还极大的减少了整体投资价格，是很有实际应用价值的。
目前国内还没有关于胖树拓扑结构方面的专利。国外只检索到一篇关于蝶胖树拓扑结构专利的报导，还未有多分支胖树网络拓扑结构文献的报导。
3、发明内容
本发明的目的是提供一种用于计算机和通信领域的网络胖树拓扑连接方法，特别的是一种由胖树网络拓扑和全网胖树网络拓扑综合互连而成的具有高速、高性价比的多分支胖树网络拓扑结构。
本发明的多分支胖树网络拓扑结构是在多分支胖树网络拓扑结构中每个分支胖树的核心交换机与其它分支胖树的核心交换机采用无阻塞拓扑连接，每个分支胖树的核心交换机与其内部底层交换机之间采用全网胖树拓扑互联。
在本发明的多分支胖树网络拓扑结构中，核心交换机和底层交换机均采用统一型号的交换机，包括16端口和32端口交换机。
在本发明的多分支胖树网络拓扑结构中，根据分支胖树网络拓扑结构个数不同，可命名为二分支胖树(double fat tree)、三分支胖树(triple fattree)、四分支胖树(quad fat tree)及多分支胖树(multi branch fat tree)。
在本发明的多分支胖树网络拓扑结构中，各分支胖树可采用对称和不对称两种拓扑连接方式，对称和不对称连接方式的区别在于各分支胖树核心交换机的个数和所提供的可用端口数是否相等。
本发明的多分支胖树的网络拓扑体系结构，采用胖树拓扑与全网拓扑综合使用的方式，即各个分支采用全胖树拓扑互连，而各分支胖树结构的核心交换机与底层交换机之间采用全网拓扑方式互连，这样可以保证在每个胖树拓扑内核心交换机与底层交换机间通讯无阻塞。在不同分支胖树拓扑结构的底层交换机间的相互通讯虽然有阻塞，但具有多点路由仍可保证一定的带宽。
本发明的多分支胖树网络拓扑结构性价比最大化技术，即在给定的拓扑结构和需求的最小带宽条件下，给出性价比最高的拓扑方案，用最小的投资来达到来满足网络拓扑通讯性能上的需要。
根据分支胖树网络拓扑结构个数的不同，我们对2，3和4分支的胖树网络拓扑结构分别称之为二分支胖树、三分支胖树和四分支胖树拓扑结构，依次类推还可定义多分支胖树网络拓扑结构。
4、附图说明
附图1为二分支胖树拓扑结构示意图，两个分支胖树拓扑结构的核心交换机间分别通过一条链路相互连接，如使用16端口交换机构建此拓扑网络，对分带宽可达到23％，提供最大可用端口数204。
附图2为三分支胖树拓扑结构示意图，各分支胖树拓扑结构的核心交换机间通过两条链路相互连接，构成全网拓扑连接。如使用16端口交换机构建此拓扑网络，对分带宽可达到17％，提供最大可用端口数288。
附图3为四分支胖树拓扑结构示意图，各胖树拓扑结构的核心交换机间通过三条链路相互连接，构成全网拓扑连接。如使用16端口交换机构建此拓扑网络，对分带宽可达到20％，提供最大可用端口数320。
附图4为不对称二分支胖树拓扑结构示意图，交换机采用16端口交换机。其中一个分支胖树拓扑提供端口数80，另一个分支胖树拓扑提供端口数104，较小分支胖树拓扑的核心交换机有六条链路分别与较大分支胖树拓扑的两个核心交换机相连，对分带宽接近30％。
对于各个分支胖树网络拓扑结构的构建，我们可以采取对称与不对称两种连接方式，对于对称结构，各胖树所提供的端口数相等。对于不对称结构，各分支胖树所提供的端口数不相等。
对称结构的多分支胖树拓扑结构以16端口交换机为例加以说明：
在保证对分带宽在15％以上的前提下，采用对称结构的连接方式，分别阐述二分支胖树、三分支胖树和四分支胖树的构成及性能参数特点。
在二分支胖树拓扑结构中，如附图1所示，为了保证对分带宽在15％以上，设计每一个胖树由8个核心交换机和13个底层交换机构成，每个底层交换机提供8个主机端口，整个二分支胖树提供208个可用主机端口，端口利用率达31％。每个分支胖树的核心交换机有三条链路与另一个分支胖树的核心交换机相连，两个分支胖树间共有24条链路，整个体系的对分带宽值为23％。由于分支胖树的核心之间是直接相连，没有通过另一层交换机，从而端口间平均路径长度下降，对于二分支胖树，平均路径长度为4.5。
在三分支胖树拓扑结构中，如附图2所示，为了保证对分带宽在15％以上，设计每一个分支胖树由8个核心交换机和12个底层交换机构成，每个底层交换机提供8个主机端口，整个二分支胖树提供288个可用主机端口，端口利用率达30％。每个分支胖树的根端口交换机有二条链路与另一个分支胖树的根端口交换机相连，每两个分支胖树间共有16条链路，整个体系的对分带宽值为16％。对于二分支胖树，平均路径长度为4.6。
在四分支胖树拓扑结构中，如附图3所示，为了保证对分带宽在15％以上，设计每一个分支胖树由8个核心交换机和10个底层交换机构成，每个底层交换机提供8个端口，整个二分支胖树提供320个可用端口，端口利用率达28％。每个分支胖树的核心交换机有二条链路与另一个分支胖树的核心交换机相连，每两个分支胖树间共有16条链路，整个体系的对分带宽值为28％。对于二分支胖树，平均路径长度为4.7。
对于多分支胖树网络拓扑结构，由于端口利用率的提高，导致每端口价值的降低，从而降低了整体投资价值。
由于采用分支胖树与全网综合互连，分支胖树的核心交换机间直接连接而没有通过另外的交换机，使端口间平均路径距离下降，从而降低了端口间通讯延迟，提高了端口间的通讯速度。如果采用不对称结构的多分支胖树拓扑，在端口数较多的分支胖树看来，有更多的端口具有更小的平均路径，导致整体的平均路径距离下降，所以整体的端口间平均延迟还会下降。
但仍需指出，多分支胖树拓扑结构的对分带宽只保持到15％以上，只适合于区域内部通讯带宽要求很高，而区域间通讯带宽不超过15％的应用问题。也就是说给出了在对分带宽不超过15％时拓扑结构性价比最大化方案。
5、具体实施方式
多分支胖树网络拓扑结构适用于大多数的体系互连交换机硬件，其中包括，Myrinet，Infiniband，Quadrics等，下面以Myrinet交换机为例来说明多分支胖树网络拓扑结构的具体实施方法。
我们要用到的Myrinet产品包括M3-E128、端口链路卡、级联链路卡。其中M3-E128为128端口的交换机机柜，每个交换机机柜内建8个16端口交换机，如插满16块端口链路卡，可提供最大128端口可用端口。端口链路卡为下行连接卡，内建有一个16端口的交换机，每块卡提供8个下行链接端口。级联链路卡为上行连接卡，每块卡提供8个上行连接端口。
我们以三分支胖树拓扑结构为例来说明其具体实施方法。三分支胖树拓扑结构要用到三个M3-E128端口机柜，每个机柜插入12块端口链路卡提供96个端口，插入4块级联链路卡提供32个上行链路，每两个胖树间有2块级联链路卡16条链路相连接，按端口顺序把这16个端口标示为端口1、端口2、端口3直到端口16，每两个机柜按端口号依次两两相连，即而完成了三分支胖树拓扑网络体系的具体实施。
二分支胖树网络拓扑结构和四分支胖树网络拓扑结构的具体实施也可依此方法而行。
对于二分支胖树拓扑结构，每个机柜插入13块端口链路卡，3块级联链路卡，两个机柜间有48条链路相连。对于四分支胖树拓扑结构，每个机柜插入10块，6块级联链路卡，两个机柜间有16条链路相连。
多分支胖树网络拓扑结构适用于区域内部通讯带宽要求很高而区域之间通讯带宽要求不高的实际应用问题，如机车对撞问题的模拟运算，天体碰撞问题的模拟运算等。在实际应用中，可根据区域间通讯带宽的实际要求来调节端口链路卡和级联链路卡的数目，以达到满足实际应用问题的目的。
Claims (4)
1.高速、高性价比的多分支胖树网络拓扑结构，其特征在于在多分支胖树网络拓扑结构中每个分支胖树的核心交换机与其它分支胖树的核心交换机采用无阻塞拓扑连接，每个分支胖树的核心交换机与其内部底层交换机之间采用全网胖树拓扑互联。
2、根据权利要求1所述的一种多分支胖树网络拓扑结构，其特征在于在多分支胖树网络拓扑结构中使用统一型号的交换机，包括16端口和32端口交换机。
3、根据权利要求1所述的一种多分支胖树网络拓扑结构，其特征在于根据分支个数不同，可命名为二分支胖树(double fat tree)、三分支胖树(triplefat tree)、四分支胖树(quad fat tree)及多分支胖树(multi branch fat tree)。
4、根据权利要求1所述的一种多分支胖树网络拓扑结构，其特征在于各分支胖树可采用对称和不对称两种拓扑连接方式，对称和不对称连接方式的区别在于各分支胖树核心交换机的个数和所提供的可用端口数是否相等。
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