随着云计算应用的蓬勃发展,数据中心内流量剧增。这要求数据中心网络以更少的 能耗与更低的成本提供更高带宽与更低时延的通信服务,上述需求对传统树形拓扑结构 的数据中心网络提出了很大的挑战。 ①网络能耗高。网络各层均使用电分组交换机消耗大量能量,为了保证网络设备 的正常运行而安装的制冷设备也是高能耗设备。 等分带宽小。传统数据中心网络采用树形拓扑结构,位于树根的核心交换机容 易成为带宽瓶颈、限制网络的可扩展性。如果要提高网络的等分带宽,需要购买交换能 力更强的核心层交换机,增加了网络的建设成本 ③分组时延高。数据分组从一台服务器出发到达另一台服务器,需要经过各层交 换机存储转发,多次排队过程增加了分组端到端时延。 ④管理维护难。树形拓扑不可避免地存在单点失效问题,在引入备份节点后需增 加线缆、防止环路,这样增加了布线与管理的复杂性。此外每一台网络设备都要单独配 置,难以保证全网策略的一致性。 传统的数据中心网络架构无法满足新兴网络应用对高带宽、低时延和低能耗等性能 需求,已经成为未来云计算数据中心发展的瓶颈。因而研究者们相继提出改进型电交换 数据中心网络架构以及光交换数据中心网络架构,来解决传统数据中心网络中所存在的 系列问题。 813数据中心网络体系结构 数据中心网络体系结构取决于应用计算模型。计算模型主要分为层次化模型与扁平 化两种结构。层次化模型结构如图84所示 客户端 网络层 接口层 数据层 图84计算模型层次化结构 Web应用是层次化结构的典型应用之一。层次化结构的主要特点是客户请求计算结 果需逐层访问,返回数据也要逐层沿原路返回。 计算模型扁平化结构如图85所示。其特点是数据层服务器会将结果直接返回给客
5 随着云计算应用的蓬勃发展，数据中心内流量剧增。这要求数据中心网络以更少的 能耗与更低的成本提供更高带宽与更低时延的通信服务，上述需求对传统树形拓扑结构 的数据中心网络提出了很大的挑战。 ① 网络能耗高。网络各层均使用电分组交换机消耗大量能量，为了保证网络设备 的正常运行而安装的制冷设备也是高能耗设备。 ② 等分带宽小。传统数据中心网络采用树形拓扑结构，位于树根的核心交换机容 易成为带宽瓶颈、限制网络的可扩展性。如果要提高网络的等分带宽，需要购买交换能 力更强的核心层交换机，增加了网络的建设成本。 ③ 分组时延高。数据分组从一台服务器出发到达另一台服务器，需要经过各层交 换机存储转发，多次排队过程增加了分组端到端时延。 ④ 管理维护难。树形拓扑不可避免地存在单点失效问题，在引入备份节点后需增 加线缆、防止环路，这样增加了布线与管理的复杂性。此外每一台网络设备都要单独配 置，难以保证全网策略的一致性。 传统的数据中心网络架构无法满足新兴网络应用对高带宽、低时延和低能耗等性能 需求，已经成为未来云计算数据中心发展的瓶颈。因而研究者们相继提出改进型电交换 数据中心网络架构以及光交换数据中心网络架构，来解决传统数据中心网络中所存在的 一系列问题。 8.1.3 数据中心网络体系结构 数据中心网络体系结构取决于应用计算模型。计算模型主要分为层次化模型与扁平 化两种结构。层次化模型结构如图 8.4 所示。 图 8.4 计算模型层次化结构 Web 应用是层次化结构的典型应用之一。层次化结构的主要特点是客户请求计算结 果需逐层访问，返回数据也要逐层沿原路返回。 计算模型扁平化结构如图 8.5 所示。其特点是数据层服务器会将结果直接返回给客
户,不需要再由接口层服务器进行处理。 客户端 网络层 服务器服务器 务器 服务器 接口层 数据层 图85计算模型扁平化结构 在数据中心实际组网建设中,这两种方式都不占据绝对优势,用哪种结构完全看规 划者的考虑重点在哪个方面。 82电交换数据中心网络架构 为了克服传统数据中心网络中存在的问题,研究人员相继提出了改进的电交换数据 中心网络架构。这些架构可以分成两类:一类是以交换机为核心的网络架构,由交换机 实现连接的建立和数据的转发,因此交换机需要升级相应软硬件、而服务器则无需修改 配置,典型解决方案包括 Fat-tree、ⅥL2与 Portland等。另一类是以服务器为核心的网 络架构,服务器通常装配有多个网络接口、负责网络互连和路由功能,因此服务器需要 升级相应软硬件、而交换机则无需改变,典型解决方案包括 FiOnn、 DCell与 BCube 等 821以交换机为中心的DCN架构 Fat-tree和L2架构是以交换机为中心的数据中心网络架构的典型代表 MA- Fares等人在2008年提出基于商用以太网交换机的改进型数据中心网络架构 Fat-tree,以解决传统架构组网成本高、等分带宽低以及单点失效等问题。如图86所示, Fat-tree架构部署大量价格较低的以太网交换机替代传统网络中昂贵的核心层和汇聚层 交换机,以达到降低网络组网成本的目的。胖树网络通过增加一定的线缆复杂度,使得 同一集群(Pod)内每台接入交换机与每台汇聚交换机都相连、构成完全二分图;汇聚 交换机只与部分核心交换机相连,每台核心交换机与各个集群的汇聚交换机相连,这种 Clos结构能够提供无阻塞的通信。此外,Fat-tree架构中每个接入和汇聚节点都与多个 父节点相连,这样增加了网络的连通性,在一定程度上提高了网络的可靠性、避免单点 失效问题
6 户，不需要再由接口层服务器进行处理。 图 8.5 计算模型扁平化结构 在数据中心实际组网建设中，这两种方式都不占据绝对优势，用哪种结构完全看规 划者的考虑重点在哪个方面。 8.2 电交换数据中心网络架构 为了克服传统数据中心网络中存在的问题，研究人员相继提出了改进的电交换数据 中心网络架构。这些架构可以分成两类：一类是以交换机为核心的网络架构，由交换机 实现连接的建立和数据的转发，因此交换机需要升级相应软硬件、而服务器则无需修改 配置，典型解决方案包括 Fat-tree、VL2 与 Portland 等。另一类是以服务器为核心的网 络架构，服务器通常装配有多个网络接口、负责网络互连和路由功能，因此服务器需要 升级相应软硬件、而交换机则无需改变，典型解决方案包括 FiConn、DCell 与 BCube 等。 8.2.1 以交换机为中心的 DCN 架构 Fat-tree 和 VL2 架构是以交换机为中心的数据中心网络架构的典型代表。 M.Al-Fares 等人在 2008 年提出基于商用以太网交换机的改进型数据中心网络架构 Fat-tree，以解决传统架构组网成本高、等分带宽低以及单点失效等问题。如图 8.6 所示。 Fat-tree 架构部署大量价格较低的以太网交换机替代传统网络中昂贵的核心层和汇聚层 交换机，以达到降低网络组网成本的目的。胖树网络通过增加一定的线缆复杂度，使得 同一集群（Pod）内每台接入交换机与每台汇聚交换机都相连、构成完全二分图；汇聚 交换机只与部分核心交换机相连，每台核心交换机与各个集群的汇聚交换机相连，这种 Clos 结构能够提供无阻塞的通信。此外，Fat-tree 架构中每个接入和汇聚节点都与多个 父节点相连，这样增加了网络的连通性，在一定程度上提高了网络的可靠性、避免单点 失效问题
交换机 交换机 交换机 交换机 交换机 交换机 交换机 交换机 交换机 交换机 交换机 交换机 交换机 交换机 交换机 交换机 交换机 回国回回}回回回国回国回}国回 服务器 交换机 电分组交换机 图86 Fat-tree数据中心网络架构 但是Fat-tree架构仍然不能从根本上解决数据中心网络分组时延大和能耗髙等问题, 原因在于它是继承传统树形拓扑结构,仍存在下述的设计缺陷 ①扩展性差。采用Clos结构,一旦网络结构确定之后数据中心网络能够承载的服 务器数目就确定了,若服务器的数目超出上限需要改变原有的网络结构和交换设备。 ②运维复杂。Fat-tree架构是基于Clos结构连接,每台交换机都与数十台交换机相 连,随着服务器的数量急剧增加,布线将变得越来越复杂。维护以及人工成本的增长也 是数据中心运营商们关注的重点。 ③能耗过高。 Fat-tree架构均使用电以太网交换机。光一电和电一光的转换以及电 交换网络的能耗过高,对于数据中心运营商来说是一个不可忽视的关键问题 ④分组时延高。电分组交换机采用存储-转发机制,多次排队过程增大分组时延。 为保证数据中心的资源利用效率,使得大量服务器连接成为一个资源池,同时减少 汇聚层交换机和核心层交换机间的布线复杂度, Greenberg等人提出L2架构。该架构 采用10 Gbps的链路连接。汇聚层交换机和核心层交换机按Clos结构进行连接,提供了 丰富的连接,保证网络中链路的多样性。由于数据中心内部的流量具有突发性,ⅥL2中 釆用ⅥLB路由算法实现负载均匀分布在多条可用链路中。ⅥL2使用两套IP地址簇,以 保证资源连接的动态建立和释放,这两套IP地址簇分别是以位置为参考的IP地址 ( location- -specific IP address,LA)和以应用为参考的IP地址( application- specific IP dres,AA)。ⅥL2中的字典服务器会存储两套IP地址簇的映射关系,所有的服务器 都共享一套IP子空间,因此该网络被视为单一的二层域互连架构
7 图 8.6 Fat-tree 数据中心网络架构 但是 Fat-tree 架构仍然不能从根本上解决数据中心网络分组时延大和能耗高等问题， 原因在于它是继承传统树形拓扑结构，仍存在下述的设计缺陷。 ① 扩展性差。采用 Clos 结构，一旦网络结构确定之后数据中心网络能够承载的服 务器数目就确定了，若服务器的数目超出上限需要改变原有的网络结构和交换设备。 ② 运维复杂。Fat-tree 架构是基于 Clos 结构连接，每台交换机都与数十台交换机相 连，随着服务器的数量急剧增加，布线将变得越来越复杂。维护以及人工成本的增长也 是数据中心运营商们关注的重点。 ③ 能耗过高。Fat-tree 架构均使用电以太网交换机。光—电和电—光的转换以及电 交换网络的能耗过高，对于数据中心运营商来说是一个不可忽视的关键问题。 ④ 分组时延高。电分组交换机采用存储-转发机制，多次排队过程增大分组时延。 为保证数据中心的资源利用效率，使得大量服务器连接成为一个资源池，同时减少 汇聚层交换机和核心层交换机间的布线复杂度，Greenberg 等人提出 VL2 架构。该架构 采用 10Gbps 的链路连接。汇聚层交换机和核心层交换机按 Clos 结构进行连接，提供了 丰富的连接，保证网络中链路的多样性。由于数据中心内部的流量具有突发性，VL2 中 采用 VLB 路由算法实现负载均匀分布在多条可用链路中。VL2 使用两套 IP 地址簇，以 保证资源连接的动态建立和释放，这两套 IP 地址簇分别是以位置为参考的 IP 地址 （location-specific IP address，LA）和以应用为参考的 IP 地址（application-specific IP address，AA）。VL2 中的字典服务器会存储两套 IP 地址簇的映射关系，所有的服务器 都共享一套 IP 子空间，因此该网络被视为单一的二层域互连架构
822以服务器为中心的DCN架构 DCell与 BCube架构是以服务器为中心的数据中心网络架构的典型代表。 以交换机为核心的数据中心网络架构不仅需要对交换机的软件进行升级,还需要对 硬件配置进行扩展,对于大规模的数据中心网络建设增加了限制,因此研究人员提出了 以服务器为中心的网络架构。其中有学者借助服务器具有多个网络接口和数据转发功能 的特点设计出了 DCell架构,架构模型如图8.7所示。DCl利用多网卡服务器和商业 化交换机按照递归的方式实现大规模服务器互连。在 DCell中,一台交换机与n台服务 器连接构成基本单元DCel,基本单元中的一台服务器与其它基本单元中的一台服务器 相连构成第一级单元DCel,以此类推可以构建下一级单元。按这种递归方式构建的 网络中若 DCellk1中包含有t台服务器,则在DClk中含有t1+1个 DCellk-单元, 所包含的服务器的数量为t×(t-+1)。这种递归架构解决了数据中心网络的扩展性问 题,能容纳大量服务器。以n=4为例,DCel2可以容纳420台服务器, DCell3则可以 互连176820台服务器。尽管如此,从其递归的规律来看,随着网络递归层级的增加, 每台服务器需拥有更多的网络接口,而当今商用的服务器一般只有两个网络接口限制了 这种以服务器端口数量为代价的网络规模扩大。 Cello[oJ 交换机 ○服务器电分组交换机 图87DCel数据中心网络架构 与DCel相似的, BCube同样采用商业交换机按递归的方式互连大量服务器。如图
8 8.2.2 以服务器为中心的 DCN 架构 DCell 与 BCube 架构是以服务器为中心的数据中心网络架构的典型代表。 以交换机为核心的数据中心网络架构不仅需要对交换机的软件进行升级，还需要对 硬件配置进行扩展，对于大规模的数据中心网络建设增加了限制，因此研究人员提出了 以服务器为中心的网络架构。其中有学者借助服务器具有多个网络接口和数据转发功能 的特点设计出了 DCell 架构，架构模型如图 8.7 所示。DCell 利用多网卡服务器和商业 化交换机按照递归的方式实现大规模服务器互连。在 DCell 中，一台交换机与n台服务 器连接构成基本单元 DCell0，基本单元中的一台服务器与其它基本单元中的一台服务器 相连构成第一级单元 DCell1，以此类推可以构建下一级单元。按这种递归方式构建的 网络中若 DCellk-1中包含有 k1 t 台服务器，则在DCellk中含有 1 t k1 个 DCellk-1单元， 所包含的服务器的数量为 1 t k1 t k1 。这种递归架构解决了数据中心网络的扩展性问 题，能容纳大量服务器。以n 4为例，DCell2 可以容纳 420 台服务器，DCell3 则可以 互连 176820 台服务器。尽管如此，从其递归的规律来看，随着网络递归层级的增加， 每台服务器需拥有更多的网络接口，而当今商用的服务器一般只有两个网络接口限制了 这种以服务器端口数量为代价的网络规模扩大。 图 8.7 DCell 数据中心网络架构 与 DCell 相似的，BCube 同样采用商业交换机按递归的方式互连大量服务器。如图
88所示, BCube中以n台服务器与一台交换机直接相连构成基本单元 BCube0,而 BCubek由n个 BCubek-1单元与n个n端口的交换机互连构成。一个 BCubek可以容纳 n台服务器、k+1层交换机,每层交换机数量为n2。每台服务器的网络接口数为k+1, 这些接口分别被标记为 level- evelk。 BCube是以服务器为中心的网络架构,其路由方 式为源路由,源服务器在发送数据之前先发送探测分组,接收到应答分组后再按一定规 则选择合适的路径传输数据。 BCube的缺陷是服务器需要安装更多的网络接口,而当今 商用的服务器通常只有两个网络接口。 Bcube 交换机 交换机 交换机 交换机 交换机 交换机 交换机 换机 Bcube eo[1] Bcubeo[2] 4 Bcubeo[ 3] ○服务器 电分组交换机 图88 BCube数据中心网络架构 83光电混合交换数据中心网络架构 1、光互连数据中心网络架构分类 光网络在电信网络中已经被广泛应用并带来高带宽、低时延等优势。将光网络应用 至数据中心网络构建光互连数据中心网络在近年来受到广泛关注,许多新型光互连数据 中心网络架构也被提出来。光互连数据中心网络架构可以从以下两种角度进行分类。 ①光电混合/全光架构 光电混合架构是对现有数据中心网络的演进,既保留了电分组交换网络灵活、高效 优点,又充分利用光传输网络高带宽、高质量等特点。将不同特征的流量分别放在光网 络和电网络上传输,提高数据中心网络的性能。全光架构更为激进,能够为数据中心网 络提供一个高带宽、低能耗和低时延的长久解决方案。但是全光网络的建设成本过高, 光电混合网络架构可作为未来全光数据中心网络建设和使用的过渡。 ②光电路/光分组交换 交换技术可以分为两类,电路交换与分组交换。光电路交换适用于数据中心内长时
9 8.8 所示，BCube 中以 n台服务器与一台交换机直接相连构成基本单元 BCube0，而 BCubek 由n个 BCubek-1 单元与 k n 个n端口的交换机互连构成。一个 BCubek 可以容纳 k n 台服务器、k 1层交换机，每层交换机数量为 k n 。每台服务器的网络接口数为k 1， 这些接口分别被标记为 level0-levelk。BCube 是以服务器为中心的网络架构，其路由方 式为源路由，源服务器在发送数据之前先发送探测分组，接收到应答分组后再按一定规 则选择合适的路径传输数据。BCube 的缺陷是服务器需要安装更多的网络接口，而当今 商用的服务器通常只有两个网络接口。 图 8.8 BCube 数据中心网络架构 8.3 光电混合交换数据中心网络架构 1、光互连数据中心网络架构分类 光网络在电信网络中已经被广泛应用并带来高带宽、低时延等优势。将光网络应用 至数据中心网络构建光互连数据中心网络在近年来受到广泛关注，许多新型光互连数据 中心网络架构也被提出来。光互连数据中心网络架构可以从以下两种角度进行分类。 ① 光电混合/全光架构 光电混合架构是对现有数据中心网络的演进，既保留了电分组交换网络灵活、高效 优点，又充分利用光传输网络高带宽、高质量等特点。将不同特征的流量分别放在光网 络和电网络上传输，提高数据中心网络的性能。全光架构更为激进，能够为数据中心网 络提供一个高带宽、低能耗和低时延的长久解决方案。但是全光网络的建设成本过高， 光电混合网络架构可作为未来全光数据中心网络建设和使用的过渡。 ② 光电路/光分组交换 交换技术可以分为两类，电路交换与分组交换。光电路交换适用于数据中心内长时