基于ExCCC-DCN的无线数据中心网络结构设计

发布时间：2020-06-08 09:38

【摘要】：数据中心是一个服务器的集群,它通常是数万甚至数十万台服务器的有机集合体,庞大的服务器数量决定了它的性能表现与其互联方式有着密不可分的关系,这就像以太网的拓扑结构决定着它的网络容量和通信特性一样,数据中心的网络结构对其性能和容量等的影响也非常大。当前对数据中心网络结构的研究可以分为两大类,一类是有线结构的数据中心网络,另一类是无线结构的数据中心网络。本文的研究对象ExCCC-DCN是一种基于ExCCC网络结构提出的数据中心网络,ExCCC的全称是Exchanged Cube-Connected Cycles,它是从Exchanged-Hypercube扩展而来的一种具有高可扩展性的拓扑结构。ExCCC-DCN继承了ExCCC的高可扩展性,并且具有非常出色的节点容量,其建造成本和运行能耗也相对较低,非常适合用来部署大规模的数据中心。然而,ExCCC-DCN是采用有线链路进行部署的,有线链路的优点是连接稳定、通信质量有保证。但是有线链路的构建方式存在着布线复杂,维护不便等问题,尤其是后期需要升级或者维护的时候面对数以万计的线缆时其工程量将会非常庞大。由于60GHz毫米波具有传输速率高、抗干扰性强、安全性高等优点,所以它非常适用于对数据中心进行无线改造。但是60GHz毫米波也有一个很大的缺点就是传输距离短、容易发生信号阻挡,因而在实际的应用中通常需要借助波束赋形技术来提高通信的可靠性。本文通过对ExCCC-DCN拓扑结构的研究,结合60GHz毫米波的通信特点提出了两种对ExCCC-DCN进行无线改造的方案,分别是无线结构的ExCCC-DCN和无线有线混合的ExCCC-DCN。其主要的研究内容包括以下几个方面:1)将ExCCC-DCN中的有线链路和交换机全部去掉,只保留服务器和每个机架顶端的交换机,并在每个机架的顶部安装由曲臂支架固定的号角状天线来收发60GHz毫米波的信号,从而构造一个无线ExCCC-DCN。改造后的无线结构在进行部署的时候根据ExCCC-DCN结构的对称性将其按照等分宽度进行递归分割,分割后的每个单元通过把架顶天线设定在不同的高度上从而使其空间坐标分布在一个球面上。这样每个网络单元内的任意三个天线都不会处于同一条直线上,有效地避免了信号阻断的发生。2)从路由路径长度、网络直径、节点的度三个方面分析了无线ExCCC-DCN的结构特性,并给出了相关的证明。然后根据无线ExCCC-DCN的网络单元的结构特点提出了一种简单可靠的单播路由算法。最后通过实验分析了无线ExCCC-DCN的结点连通度和路由路径长度,证明了改造后的无线结构具有更大的节点连通度和更短的路由路径长度。3)在保持ExCCC-DCN原有结构不变的前提下,通过安装架顶天线来构建一个有线无线混合的ExCCC-DCN。改造后的混合网络不仅继承了ExCCC-DCN原有的结构特性,而且有效降低了网络内的数据流量,提高了网络的吞吐量。4)将混合ExCCC-DCN划分成若干个单元(pod),并把有线部分和无线部分单独抽象出来构成一个有线网络子图和无线网络子图,并据此设计了一种多播路由算法。然后从数学的角度分析了该多播算法的性能,最后通过对比实验证明了该算法在构建多播树的时候可以有效减少多播链路数并提高多播通信时的数据吞吐量。
【图文】：

缘层划的交换机划分成若干个相对独立的 pod，，同一个 pod 内的每一个和边缘层的交换机互联，而且在 Fat-Tree 结构中聚合层和边缘层都使用交换机，所以虽然增加了交换机的数目但是网络的成本却并没有增加了聚合层的带宽瓶颈问题并降低了整个网络对核心层的依赖。图 2-3 结构的数据中心网络。核心层聚

缘层划的交换机划分成若干个相对独立的 pod，同一个 pod 内的每一个和边缘层的交换机互联，而且在 Fat-Tree 结构中聚合层和边缘层都使用交换机，所以虽然增加了交换机的数目但是网络的成本却并没有增加了聚合层的带宽瓶颈问题并降低了整个网络对核心层的依赖。图 2-3 结构的数据中心网络。核心层聚
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP308;TN92

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本文编号：2702883