網絡拓撲架構選擇辦法范文

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摘要：

本文通過介紹數據中心的相關概念，分析了三種數據中心網絡架構，展示了基于這些網絡構架的數據中心在數據吞吐和計算性能方面的優劣。

關鍵詞：

云計算；數據中心網絡；胖樹結構；混合型網絡

1引言

隨著基礎網絡建設日益完備，大容量帶寬成為主流，虛擬化技術日新月異，基于網絡的數據中心也呈現出了爆發式的增長。在數據中心設計的幾個要點中，網絡拓撲規劃一定程度上決定了數據中心初始建設成本，以及建成后數據中心的整體運行效率。早期的數據中心網絡建設在滿足數據中心規模日益增大和聚合網絡帶寬方面比較欠缺，即使是一些超大規模的企業級數據中心，正常情況下也只能 實現50%的網絡帶寬聚合能力。這種傳統網絡架構在數據中心增長過程中呈現的不足之處，一定程度上也觸發了研究人員在不停的嘗試和開發新型網絡結構，以解決日益增長的云計算需求。

2數據中心的綜合介紹

數據中心可以理解為一個通過網絡連接各種應用，對數據實現存儲和備份，并相互聚合形成的一個對外提供服務的計算資源池。數據中心中主要的信息和交互技術有下列幾點構成：（a）服務器和（b）網絡架構。傳統的數據中心以服務器為節點，通過網絡分層將各個服務器連接，從而形成一個整體的服務體系。隨著信息技術的不斷發展，數據中心的不斷擴大，所需連接的服務器也正在以幾何級數的規模在各個數據中心中不斷增加。例如，谷歌在2007年時數據中心已經擁有了900,000個服務器節點了；微軟的數據中心也正在以每14個月翻一倍的速度對自己的服務器進行擴容。大規模服務器節點增加的同時，數據中心就會在容錯性、投入產出比、可以容納的最大節點數等方面面臨一些問題。另外一個數據中心的重要設計需求就是可以將現有的低成本設備融合到網絡中，作為一個資源整體提供云服務能力?？墒乾F實中這種對于低成本設備的融合基本很少見到，大多數的數據中心依然都是通過較高投入，購買昂貴的企業級設備進行基礎的網絡建設。

3三種拓撲結構的概念和部署方式

3.1  傳統DCN拓撲傳統DCN結構的數據中心是基于對于網絡進行分層而規劃出的，通過將網絡架構分為三層，高一層的架構擁有更高的交換和路由能力，從而形成整體的數據中心網絡，。

3.2 Fat-tree DCN拓撲Fa t- t r e e  D C N是基于傳統 D C N網絡架構的一種修正結構。這種結構的出現主要是針對存在超量請求和跨域間訪問量較大的數據中心設計的。這種類型的網絡拓撲也還是基于三層網絡架構構建的，只是在交換層通過增加更多的交換機從而保證上下行網絡無收斂。

3.3 DCell拓撲D C el l 拓撲是以服務器節點為中心的混合型網絡架構。一個服務器會同時和若干個其他服務器直連。通過遞歸連接的方式，DCell將整個網絡由若干個Cell分層構架而成。Cell是一個基本的網絡節點，當前網絡達到一定規模之后，會作為一個新的C el l而成為更高一級網絡的一個網絡節點。這種網絡架構在對服務器有大規模需求的網絡規劃中可以將網絡容量擴展到極致。一個有6臺服務器構成基本Cell的4層DCell網絡，原則上可以容納3,60 0,0 0 0臺服務器。除了極為強大的網絡服務器容量外，DCell網絡也具有極高的穩健性。不過可以很明顯看出來，域間訪問和網絡延時在這種網絡架構中會成為一個比較明顯的缺點。

4網絡架構分析

網絡結構是大型數據中心的最重要的組成部分，一定程度上決定了數據中心的計算性能和數據吞吐量。大量的模擬測試和驗證分析表明70%的網絡流量通常發生在數據中心內部，而不是數據中心和用戶之間。傳統的兩層或者三層DCN網絡結構在構建大型數據中心時需要的成本相對偏高。根據上文中提到的這三種技術，我們可以把數據中心的網絡架構分為三種類型：一是以交換機為中心的網絡架構；二是通過服務器和交換機進行數據轉發的混合型網絡架構；三是以服務器為中心的的網絡架構。以交換為中心的網絡架構中，網絡交換機承擔了所有的路由和交換功能，典型的代表就是傳統DCN和Fat-t ree  DCN結構。而混合型的網絡架構通過服務器和交換機來進行數據轉發。以服務器為中心的網絡架構則完全沒有依賴于交換機，只是通過服務器進行數據的處里和轉發。目前在工業界應用最廣泛的，以傳統的交換為中心的網絡架構中，三層架構是主要的技術方案，交換機被放置于接入層、匯聚層、核心層。資源池中的服務器通過這三層交換機互聯，進行數據的輸入和輸出。核心層構成了網絡結構的基礎，每一個匯聚層的交換機都樹形分布于和核心層的下一層。所以核心層和匯聚層的交換機性能要求相對較高，通常采用高性能的企業級交換機。通過一個實驗環境對這三種網絡結構進行模擬之后，結果表明以Fat-tree型的網絡構建的數據中心計算性能是獨立于網絡大小的，也就是說數據中心的性能相對穩定。不過Fat-tree網絡架構相對來講更加昂貴。DCell結構的數據中心性能則取決于網絡的規模。規模越大的數據中心，相對來講，D C e l l 結構的網絡更適合。而傳統的三層架構網絡結構則取決于網絡拓撲和用戶請求數。在拓撲并不復雜，用戶數相對較少的情況下，這種架構是代價最小，維護成本最低的一種選擇。

5結束語

通過對數據中心網絡架構的介紹和實驗分析，我們可以得出這樣的結論：如果是對超大型數據中心有需求，而域間訪問不是主要的特點時，采用D C e l l架構可以明顯提高數據中心的整體容量；如果數據中心對服務器規模沒有強烈的需求，建設資金充沛，而更加在意網絡性能的前提下，采用Fat-t r e e架構比較合理；如果在建設規模和投入資金方面需要折中，而整體訪問量相對較小的情況下，傳統的DCN架構會比較合適。

作者：趙哲 胡瑩瑩 單位：國家無線電監測中心