数据中心拓扑总结

数据中心拓扑摘要1.1数据中心网络功能要求.1.2现有数据中心网络拓扑.2传统树状结构.2 Fat-Tree拓扑.3 VL2拓扑.6 BCube拓扑.8 MDCube.9 FiConn拓扑.12 HCN拓扑.13 BCN拓扑.17 Scafida.基于19 Kautz图的数据中心拓扑.见20.I数据中心拓扑摘要1数据中心拓扑摘要1.1数据中心网络特性要求数据中心网络特性要求随着网络技术的发展，数据中心已成为提供IT网络服务、分布式并行计算等的基础设施，对加快现代社会信息建设和加快社会进步发挥着重要作用。数据中心是代表IT执行企业核心业务、为企业提供高效服务、减轻企业管理和运营负担的核心项目。数据中心的使用越来越广泛，应用程序需求不断增长，业务数据量达到T/P级别或更高。此外，由于对服务质量、延迟和带宽(如视频、金融业务数据)有严格的要求，因此构建数据中心网络对数据中心网络的性能要求很高。1高扩展性：随着数据中心业务的扩展，数据中心的规模将继续扩展，您必须能够在数据中心网络中容纳更多服务器和交换机设备以确保业务需求。添加设备对现有网络服务性能没有太大影响，并可实现无缝性能扩展，不会出现过载等问题。2多路径功能：数据中心规模大，很难防止链路、节点和某些网络出现故障。另外，源和目标节点对之间的突发通信量较大，很难在单个链路上保证带宽传输要求。因此，网络拓扑的要求是确保不同节点之间的多个并行路径。也就是说，在一定的网络故障率范围内，可以保证网络服务质量，网络具有良好的容错能力，实现网络的高可靠性，保证服务质量。并行路径提供了足够的带宽，如果需要传输服务的突发业务较多，可以动态切换网络以满足数据传输需求。3低延迟特性：数据中心在科研机构、金融等领域发挥着不可替代的重要作用，为用户提供视频、在线业务、高性能计算等服务，许多业务对网络延迟更敏感，对网络实时要求也更严格。因此，在设计网络拓扑时，为了实现高速数据传输，必须充分考虑网络的低延迟特性要求。4高带宽传输：数据中心应用程序业务(如数据挖掘、科学计算和业务迁移)可以达到T(1012B)或P(1015B)级别，有时还可以达到Z(1021B)级别，因此网络拓扑需要高带宽来满足业务的高吞吐量和要求。5低网络互连开销：数据中心网络很大，构建大量数据中心的成本很高。因此，要降低数据中心网络部署成本，应从以下几个方面开始：针对网络连接，将高级专用设备替换为低成本数据中心拓扑摘要2中的低成本商业交换设备。网络规模的扩大不是用新设备代替旧设备。网络拓扑结构、降低布线复杂性、轻松管理、自动配置和优化升级。此外，在确保网络性能的同时，应尽可能简化网络布线。6模块化设计：充分利用模块化设计的优点，并实施设备模块化添加、维护和更换，以降低网络布局和扩展的复杂性。此外，充分考虑流量特性和服务要求，确保通信频繁的设备位于同一模块内，减少模块之间的流量，从而优化网络性能，轻松实现流量平衡。7展平网络：随着计算、存储和传统以太网的融合，网络技术的发展，数据中心以太网已经是数据中心的发展趋势，在简化网络管理和优化性能方面具有重大优势。随着聚合网络的发展，网络展平已经安排好，需要构建网络以帮助网络流量均衡化、防止过载、易于管理等的层数应尽可能低。8环保节能：数据中心的运营能耗开销导致数据中心总能耗超过50%。合理的布局有助于冷却数据中心，有助于降低功耗和保护网络设置。因此，在设计网络拓扑结构时，必须充分考虑网络布局问题，实现绿色节能的目标。1.2现有数据中心网络拓扑现有数据中心网络拓扑在当前阶段，研究人员根据多种规则提出了构建数据中心网络的许多拓扑，并努力充分满足这些网络拓扑的特性要求。根据负责在网络中传递数据的设备，可以将拓扑指定为交换机一次拓扑、服务器一次拓扑和混合拓扑。以下内容介绍了网络拓扑的构建原则、扩展方法、可扩展性、网络性能参数、网络拓扑的优缺点。现有树状结构现有树状结构现有树状结构(例如，Error！Reference source not found。如图所示，用于构建数据中心的网络拓扑，它由多个树构成，专用于交换机的拓扑，提供用于连接服务器的业务交换和高性能、高容量的高速交换设备。传统的树结构简单，易于实现，但也有一些缺点。传统的树结构可以垂直扩展，具有更多的层数，设备扩展限制了上层互连设备的端口数，数据中心拓扑摘要3扩展限制了。在双层树结构中，通常最多可以容纳5000-8000台服务器，三层最多可以容纳数万个节点，因此传统的树结构难以满足现代数据中心的高可扩展性要求。网络容差性能不好，网络节点或链路出现故障时，将网络分隔到单独的子网，使网络瘫痪，容易降低性能。流量分布不均匀的话，流量在核心根节点容易聚合，因此核心节点容易成为网络性能的瓶颈。此外，网络存在严重的过载问题，难以在基础数据传输中充分利用边缘和聚合层网络带宽，为了提高网络性能，使用了高性能和大容量交换设备来解决过载问题，但这种方法只能在一定程度上缓解难以从根本上解决的过载和热点问题。采购高端口密度、高性能交换设备以构建数据中心，从而给大型数据中心部署带来不利影响的设备开销；图1树结构图2k=4 Fat-Tree拓扑数据中心拓扑摘要4 Fat-Tree拓扑Fat-Tree拓扑错误！Reference source not found。MIT的Al-Fares等建议的仅交换机拓扑，用于提高现有树结构的性能。整个拓扑网络有三个层次：Error！Reference source not found。如所示，自下而上是“边”(Edge)、“聚合”(Aggregate)和“核心”(Core)。其中，聚合层交换机和边缘层交换机构成了使用商用交换机设备的Pod。快速树实施拓扑规则包括：快速树拓扑中包含的Pod数为k，每个Pod连接的服务器数为(k/2)2，每个Pod的边缘交换机和聚合交换机数为k/2，核心交换机数为(k/2)2，网络中每个交换机的端口数为k，网络可支持的服务总数为快速树拓扑采用横向扩展方法，随着拓扑中Pod数量的增加和交换机上端口数量的增加，快速树拓扑支持更多服务器，以满足数据中心的扩展需求(如k=48)，快速树可以支持的服务器数量为27648；Fat-Tree结构通过在核心中通过多个链路及时处理负载，防止网络热点。在Pod内进行合理转换，避免过载问题。表1Fat-Tree拓扑性能参数表网络直径与分段带宽并行链路扩展功能2 2 log N/2(k/2)2k 3/4 Fat-Tree拓扑网络性能参数示例：Error！Reference source not found。中所示(对于Pod数为k的拓扑，服务器数为n):随着网络规模的扩大，快速树对分区带宽将增加，从而为数据中心提供高吞吐量传输服务。源节点对和目标节点对之间具有多个并行路径的不同Pod之间的服务器之间的通信，通常可以提供无单点故障的网络的良好容错能力。使用商用设备代替高性能交换设备，大幅降低网络设备开销。网络直径小，可以保证视频、在线会话和其他服务的网络实时需求。扩展结构规则、对称、网络布线和自动配置、优化升级等。Fat-Tree结构也有一些缺点。快速树结构的扩展规模理论上仅限于核心交换机上的端口数，对数据中心脏的长期发展要求不利。Pod内部的快速树容错能力差，对主交换设备故障非常敏感，在主交换设备故障时难以保证服务质量；根据拓扑结构的特点，网络不能正确支持一次全部和全部网络通信模式，也不能帮助构建现代的高性能应用程序(如MapReduce、Dryad等)。网络中交换机与服务器的比率在一定程度上网络设备成本仍然很高，不利于企业数据中心拓扑摘要5产业的经济发展。VL2拓扑VL2拓扑错误！Reference source not found。是Microsoft研究人员建议的数据中心网络结构，属于交换机-only拓扑结构。VL2是Clos网络的具体表示，网络拓扑是错误！Reference source not found。显示为。整个VL2拓扑物理划分为三层，每个层交换机都有相应的名称。将20台服务器作为1Gbps链路连接到最低层的交换机称为“ToR Switch”(架顶式交换机)。ToR Switch通过两个10Gbps上行链路连接到Aggregate Switch。Aggregate Switch通过10Gb