基于Durer分形五邊形的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).pdf

1、隨著云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，作為其核心基礎(chǔ)設(shè)施——數(shù)據(jù)中心，已成為制約云計(jì)算技術(shù)快速發(fā)展的重要因素，從而引起世界各國(guó)研究機(jī)構(gòu)和研究者的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要采用層次樹(shù)形結(jié)構(gòu)，包括邊緣層，聚集層及核心層，其中邊緣層交換機(jī)連接著大量的服務(wù)器，但卻存在一定不足，包括：擴(kuò)展性不足、存在單點(diǎn)失效，以及樹(shù)形拓?fù)鋵?duì)于聚集層和核心層的設(shè)備要求較高等。因此，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)已無(wú)法滿足新型數(shù)據(jù)中心的可擴(kuò)展性、容錯(cuò)性、高吞吐量等方面的性能要求。

2、
　　近年來(lái)人們對(duì)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)開(kāi)展了廣泛研究，目前所研究的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要分為兩類(lèi)：以交換機(jī)為中心和以服務(wù)器為中心。以交換機(jī)為中心的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，交換機(jī)充當(dāng)了數(shù)據(jù)互聯(lián)和路由的主要設(shè)備，其結(jié)構(gòu)包括Fat?tree、VL2、Portland和Moonsoon；而在以服務(wù)器為中心的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，多端口的服務(wù)器參與路由和分組轉(zhuǎn)發(fā)，其結(jié)構(gòu)包括DCell、BCube、MDCube、Ficonn、CamCube、DPilla

3、r、HCN、BCN和Snowflake等。以服務(wù)器為中心的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中沒(méi)有區(qū)分核心路由器和核心交換機(jī)，因此擴(kuò)展性得到增加且拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活，但也存在一定局限，如擴(kuò)展成本高，容錯(cuò)性不強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有待改進(jìn)等。針對(duì)這些不足，本文提出一種改進(jìn)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在擴(kuò)展性，穩(wěn)定性，容錯(cuò)性等方面皆有一定提升。本文的主要內(nèi)容安排如下：
　　首先介紹了云計(jì)算和數(shù)據(jù)中心的相關(guān)背景，詳細(xì)說(shuō)明了云計(jì)算的發(fā)展及其五大關(guān)鍵特征和三大服務(wù)模式；之后闡述了云計(jì)算數(shù)據(jù)

4、中心，并說(shuō)明了新一代云計(jì)算數(shù)據(jù)中心所應(yīng)具備的要求。
　　之后分析了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)存在的不足，并對(duì)幾種經(jīng)典的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了性能分析，包括具有樹(shù)形結(jié)構(gòu)的Fat?tree、具有遞歸特性的DCell、在DCell基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的BCube、基于備用端口的Ficonn，以及基于Koch曲線的Snowflake。分別從其構(gòu)成方式、連接規(guī)則、路由算法等方面進(jìn)行研究分析，并詳細(xì)指出它們?cè)跀U(kuò)展性、容錯(cuò)性、穩(wěn)定性等方面的優(yōu)勢(shì)及不足。<

5、br>　　針對(duì)以上數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)存在的不足，提出了基于Durer分形五邊形的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)DPBA(Durer-Fractal-Pentagon-Based Datacenter Network Architecture)。具體說(shuō)明了分形的基本理論、Durer分形五邊形的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)及其構(gòu)成方式，以及DPBA的構(gòu)造規(guī)則，并詳細(xì)分析了DPBA的主要性能特點(diǎn)，包括網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性較高，交換機(jī)-服務(wù)器比值較低等，同時(shí)給出了其網(wǎng)絡(luò)直徑和平均最短路徑長(zhǎng)

6、度的表達(dá)方式，服務(wù)器的固定端口數(shù)目等。之后將DPBA與幾種經(jīng)典的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了性能比較。
　　為了進(jìn)一步驗(yàn)證DPBA的優(yōu)勢(shì)，對(duì)其進(jìn)行了路由研究分析。首先，利用十叉樹(shù)的方式對(duì)DPBA中的服務(wù)器和交換機(jī)進(jìn)行了命名，以便于服務(wù)器和交換機(jī)的標(biāo)記與查找，易于找出故障點(diǎn)。之后設(shè)計(jì)了DPBA的最短路由算法和容錯(cuò)路由算法，在最短路由算法中，首先計(jì)算源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)兩個(gè)編碼串的共同前綴，然后分別由源節(jié)點(diǎn)向共同前綴交換機(jī)進(jìn)行搜索，由共同前綴交

7、換機(jī)向目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行搜索，最后通過(guò)將從源節(jié)點(diǎn)到共同前綴交換機(jī)的子路徑和從共同前綴交換機(jī)到目的節(jié)點(diǎn)的子路徑相連，即可得到所需最短路徑。容錯(cuò)路由算法是在最短路由算法的基礎(chǔ)上加了三個(gè)判斷：（1）服務(wù)器是否失效；（2）服務(wù)器到交換機(jī)的鏈路是否失效；（3）交換機(jī)到服務(wù)器的鏈路是否失效。該算法的目的是能在失效情況下找到一條通往目的節(jié)點(diǎn)的路徑。
　　之后對(duì)DPBA進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。包括分別計(jì)算了無(wú)失效情況下的平均最短路徑長(zhǎng)度、在服務(wù)器失效下的平均最

8、短路徑長(zhǎng)度、鏈路失效下的平均最短路徑長(zhǎng)度、服務(wù)器失效下的路徑失效率，以及鏈路失效下的路徑失效率。結(jié)果表明，本文所構(gòu)造的DPBA結(jié)構(gòu)有如下特點(diǎn)：（1）所需服務(wù)器端口數(shù)恒為3，因而費(fèi)用較低，易于構(gòu)建；（2）系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，不改變端口個(gè)數(shù)，其擴(kuò)展不受端口數(shù)目限制，因此一次性構(gòu)造成本和擴(kuò)展成本較低；（3）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可靠性較強(qiáng)；（4）擴(kuò)展能力較強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)容量較大；（5）布線方式簡(jiǎn)單容易，易于維護(hù)；（6）網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都有其確定性編號(hào)，易于找出故障點(diǎn)；（