光互连数据中心网络结构与控制平面技术研究
发布时间：2020-11-12 15:50
云计算是一种利用互联网实现随时、随地、按需、便捷地访问共享资源池的计算模式。数据中心网络是数据中心内互连大量服务器,用于服务器间海量数据传输和交换的网络。随着云计算的发展,数据中心网络成为各界关注的热点。传统数据中心网络是基于电以太网交换机的分层树形结构,存在等分带宽低、网络能耗高、分组时延大等问题。光网络具有高带宽、低时延等优势,因此光电混合与全光互连的数据中心网络结构被相继提出。这些结构中光网络主要应用于机架间通信,机架内通信仍然使用电架顶交换机,存在诸多问题。架顶交换机的能耗占数据中心网络设备总能耗的90%,机架内通信的流量占数据中心全网流量的80%。因此,如何设计数据中心机架内光互连网络结构及其控制平面机制成为亟待解决的关键问题之一。论文首先设计了软件定义的机架内无源光互连网络结构SD-POIRN(Software Defined-Passive Optical Intra-Rack Network)。数据平面采用光耦合器互连同一机架的服务器,并提供了四种服务器光源方案。控制平面采用软件定义的集中控制器协调机架内的数据通信。为避免数据传输发生碰撞,提出了软件定义的介质访问控制机制SD-MAC。SD-MAC利用服务器发送分组与接收分组的思想,通过最大-最小公平共享带宽分配算法为服务器分配波长与时隙。仿真结果表明:当机架内的服务器数目为64时,SD-POIRN的能耗相比于传统架顶交换机方案下降了78.4%;SD-POIRN采用2×2光耦合器组网相比于3×3光耦合器更具扩展性,单个机架内网络能支持128台服务器;SD-POIRN有效提高机架网络的吞吐量并降低分组时延。另外本论文提出了基于波长选择开关的机架内光互连网络结构WSSIRN(Wavelength Selective Switch based Intra-Rack Network)。数据平面采用波长选择开关与光耦合器的级联结构互连机架内的服务器。该结构既能提供数据中心机架内服务器间的单播、组播与广播通信,又能提供服务器与机架外服务器间的数据通信。控制平面采用软件定义的波长调度机制,利用了轮询调度与最大-最小公平共享带宽分配算法为服务器分配波长。仿真结果表明:当机架内的服务器数目为64时,WSSIRN的成本和能耗相比于传统架顶交换机方案分别下降25.9%和74.1%;WSSIRN相比于SD-POIRN结构具有更高的网络吞吐量。仿真结果显示本论文设计的光互连数据中心网络结构及相应控制平面技术在成本、能耗及网络性能上都具有优势,为今后数据中心网络的研究奠定了基础。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP308
【部分图文】：
图 2.1 传统数据中心网络分层结构Fig.2.1 Traditional data center network hierarchical struct交换数据中心网络结构可以分为两大类，一类是-centric），另一类是以服务器为核心的结构（serv结构中，交换机承担网络连接、路由转发和拥塞网络中交换机的连接方式和路由算法的改进提升件作出修改。典型的以交换机为核心的方案包括 。图 2.2 所示为 Fat-tree 网络结构。用 Clos 拓扑结构连接商用以太网交换机，可以在数通信。在 k 单元的 Fat-tree 结构（k-ary）中每个以过使用 5k2/4 台以太网交换机支持 k3/4 台服务器。网络成本低，全部使用相同的、价格低廉的商用换机取代昂贵的高性能网络设备；二是可扩展性强胖树结构可容纳 65536 台服务器；三是等分带宽高
图 2.2 Fat-tree 拓扑结构图（k=4）Fig.2.2 Topology of Fat-tree（k=4）图 2.3 所示为 FiConn 网络结构图。考虑到服务器的端口数目有限，FiConn 中每台服务器只使用两个以太网接口，其中一个连接本地交换机、另一个连接其它单元的服务器（称为备份接口）。基础单元 level-0 FiConn0由 n 台服务器和一个 n接口的交换机构造，n 台服务器都与交换机相连，FiConn0包含 n 个未使用的备份接口。k 级别 level-k FiConnk由（b/2+1）个 FiConnk-1构成，参数 b 指的是 FiConnk-1中未使用的备份接口的个数。每个 FiConnk-1都从未使用的 b 个接口中选择 b/2 个与其它 b/2 个 FiConnk-1相连，构造一张完全图。n 为 16，k 为 3 时，FiConn 结构能够容纳 3553776 台服务器，具有非常良好的扩展性。
图 2.2 Fat-tree 拓扑结构图（k=4）Fig.2.2 Topology of Fat-tree（k=4） 2.3 所示为 FiConn 网络结构图。考虑到服务器的端口数目有限，FiConn务器只使用两个以太网接口，其中一个连接本地交换机、另一个连接其服务器（称为备份接口）。基础单元 level-0 FiConn0由 n 台服务器和一个交换机构造，n 台服务器都与交换机相连，FiConn0包含 n 个未使用的备k 级别 level-k FiConnk由（b/2+1）个 FiConnk-1构成，参数 b 指的是 FiCon用的备份接口的个数。每个 FiConnk-1都从未使用的 b 个接口中选择 b/2 b/2 个 FiConnk-1相连，构造一张完全图。n 为 16，k 为 3 时，FiConn 结纳 3553776 台服务器，具有非常良好的扩展性。
【参考文献】
本文编号：2880929
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP308
【部分图文】：
图 2.1 传统数据中心网络分层结构Fig.2.1 Traditional data center network hierarchical struct交换数据中心网络结构可以分为两大类，一类是-centric），另一类是以服务器为核心的结构（serv结构中，交换机承担网络连接、路由转发和拥塞网络中交换机的连接方式和路由算法的改进提升件作出修改。典型的以交换机为核心的方案包括 。图 2.2 所示为 Fat-tree 网络结构。用 Clos 拓扑结构连接商用以太网交换机，可以在数通信。在 k 单元的 Fat-tree 结构（k-ary）中每个以过使用 5k2/4 台以太网交换机支持 k3/4 台服务器。网络成本低，全部使用相同的、价格低廉的商用换机取代昂贵的高性能网络设备；二是可扩展性强胖树结构可容纳 65536 台服务器；三是等分带宽高
图 2.2 Fat-tree 拓扑结构图（k=4）Fig.2.2 Topology of Fat-tree（k=4）图 2.3 所示为 FiConn 网络结构图。考虑到服务器的端口数目有限，FiConn 中每台服务器只使用两个以太网接口，其中一个连接本地交换机、另一个连接其它单元的服务器（称为备份接口）。基础单元 level-0 FiConn0由 n 台服务器和一个 n接口的交换机构造，n 台服务器都与交换机相连，FiConn0包含 n 个未使用的备份接口。k 级别 level-k FiConnk由（b/2+1）个 FiConnk-1构成，参数 b 指的是 FiConnk-1中未使用的备份接口的个数。每个 FiConnk-1都从未使用的 b 个接口中选择 b/2 个与其它 b/2 个 FiConnk-1相连，构造一张完全图。n 为 16，k 为 3 时，FiConn 结构能够容纳 3553776 台服务器，具有非常良好的扩展性。
图 2.2 Fat-tree 拓扑结构图（k=4）Fig.2.2 Topology of Fat-tree（k=4） 2.3 所示为 FiConn 网络结构图。考虑到服务器的端口数目有限，FiConn务器只使用两个以太网接口，其中一个连接本地交换机、另一个连接其服务器（称为备份接口）。基础单元 level-0 FiConn0由 n 台服务器和一个交换机构造，n 台服务器都与交换机相连，FiConn0包含 n 个未使用的备k 级别 level-k FiConnk由（b/2+1）个 FiConnk-1构成，参数 b 指的是 FiCon用的备份接口的个数。每个 FiConnk-1都从未使用的 b 个接口中选择 b/2 b/2 个 FiConnk-1相连，构造一张完全图。n 为 16，k 为 3 时，FiConn 结纳 3553776 台服务器，具有非常良好的扩展性。
【参考文献】
相关期刊论文 前2条
1 李丹;陈贵海;任丰原;蒋长林;徐明伟;;数据中心网络的研究进展与趋势[J];计算机学报;2014年02期
2 郑叶来;陈世峻;;分布式云数据中心的建设与管理[J];中国科技信息;2013年21期
本文编号：2880929
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