数据中心网络拓扑探讨

中图分类号：TN915.1 文献标志码：A 文章编号：1009-6868 (2012) 04-0007-004

摘要：文章认为数据中心网络的拓扑结构确定其硬件设备的选取标准、设备之间的协同和互联方式、以及数据中心的运行和维护机制。针对各种新的服务需求对数据中心网络提出的更高的结构性要求，业界提出了一些新的数据中心网络拓扑结构。文章介绍并分析了这些拓扑结构，主要有改进树形结构(如Fat-tree、VL2)、递归层次结构(如DCell、FiConn、BCube)、能量比例结构、矩阵结构。

关键词：数据中心网络；拓扑结构；云计算

Abstract: The topology of a data-center network (DCN) determines which device standards are used, how devices cooperate and interconnect, and which OAM mechanisms are used in the data-center. Diverse services require improved topological performance. To this end, we propose improved tree topologies, such as Fat-tree and VL2; recursively hierarchical topologies, such as DCell, FiConn, and BCube; energy percentage topologies; and matrix topologies.

Key words:data center networking; topology; cloud computing

数据中心网络是指数据中心的网络基础设施，它通过高速的链路和交换机连接着大量的服务器[1]。数据中心网络是基于服务器之间及时可靠的通信来发挥作用的，其作用是为数据中心的一切应用和服务提供数据存储、分析、处理和计算的物理平台。数据中心网络是数据中心硬件部分的核心基础构成，它的拓扑结构给出了数据中心中所有交换机和服务器的连接关系，决定数据中心的具体组织形式。

作为数据中心与云计算技术的硬件支撑，数据中心网络已迅速成为学术界研究的热点。近年来，计算机方向的国际顶级学术会议(如OSDI、ISCA、SIGCOMM、SIGMOD、INFOCOM、ICDCS、HPDC、SOSP等)都设立了关于数据中心网络的议题。IEEE和ACM的诸多国际权威期刊(如IEEE Computing in Science and Engineering、IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems、IEEE/ACM Transactions on Networking等)经常刊登数据中心网络的相关学术文章。麻省理工大学、斯坦福大学、加州大学伯克利分校、俄亥俄州立大学、麦吉尔大学、清华大学、微软研究院等全球著名大学及研究机构成立了专门的研究组，开展对数据中心网络的研究。同时，谷歌、亚马逊、微软等公司也从未停止对数据中心网络的研究工作[2-3]。

1 研究数据中心网络拓扑

结构的意义

数据中心网络拓扑结构确定组成数据中心的硬件设备的选取标准，以及这些设备之间的协同和互联方式，进一步确定数据中心本身的运行和维护。研究数据中心网络拓扑结构的意义主要体现在上层应用的运行质量、数据中心的建设成本和运行能耗两个方面。

(1)拓扑结构设计决定上层应用的运行质量

数据中心网络拓扑结构设计给出数据中心各服务器之间的连接关系，即任意两个服务器之间所有链路和中间节点的连接顺序，从而确定服务器间通信的路由方式。数据中心网络拓扑结构还直接影响着服务器间通信的容错和整个网络的拥塞控制。因为无论采取冗余、自适应路由、窗口速率控制或其他容错和拥塞控制方法，都需要根据网络拓扑结构所确定的节点连接关系传递控制信息。数据中心的上层应用，如GFS[4]、HDFS[5]、Bigtable[6]、Dynamo[7]、Dryad[8]等等，都以并行和分布式的形式在数据中心网络上通过大量服务器间的协同通信来实现。这些服务器之间通信的路由、容错和拥塞控制则决定上层应用的运行质量，包括服务时间、处理数据的吞吐量等。而这些又决定网络服务运营商能否在单位时间内为更多的用户提供满意的服务，获取更大的利润。

(2)拓扑结构设计决定数据中心的建设成本和运行能耗

数据中心网络作为数据中心的主体硬件部分，其结构设计给出组成数据中心的三大主要硬件设备(服务器、交换机和链路)的数量和选取标准，如服务器或交换机的型号、网络接口数量、额定功率等。具有不同网络拓扑结构的数据中心可容纳的最大服务器数量是不同的，并且容纳同样数量的服务器所需要的交换机数量也是不同的。虽然现在的数据中心只需采用价格低廉的商务计算机作为服务器，但不同的网络拓扑结构对交换机的数量和性能要求都不相同，当数据中心的服务器数量达到几万台或更多时，不同的网络拓扑结构会使得数据中心的建设成本和运行能耗[9]产生巨大的差异。

2 数据中心网络拓扑结构

新的设计要求

由于普通计算机性能的快速提高以及对服务器数量需求的飞速增长，新的数据中心网络都不再使用专门设计的高端服务器和链路，只采用大量价格低廉的普通商务计算机作为服务器[10]。

近年来，随着云计算技术在各个应用领域的不断发展以及对个人普通用户的开放，层出不穷的各种在线云服务项目对数据中心网络拓扑结构提出了新的设计要求，主要包括以下3点：

?要具备较强的可拓展性，不仅要能够容纳大量的服务器，还要支持服务器数量的持续增长。

?要具备较高的可靠性，以应对各种各样的服务器故障和链路故障。