数据中心网络结构 数据中心网络结构综述

　　摘要: 数据中心网络结构是数据中心的基础，关系到数据中心的配置、性能、管理维护等多个方面[1]。文章指出了传统数据中心网络结构的不足，对当前主流数据中心采用的几种网络结构做了分析和对比，介绍了云计算环境下虚拟化多用户数据中心网络结构的需求和特点，并对数据中心网络结构的未来发展做了展望和预测。
　　关键词：云计算；网络结构 ；虚拟网络；多用户数据中心
　　中图分类号：TP 393
　　The summarize of data center network structure
　　Chengrongbin , Wang hong ,Du yong, Cheng hui
　　College of Computer National University of Defense Technology, Changsha, Hunan,
　　
　　Abstract: Network structure of data center is the basis of data center , Network structure is in relation to the network configuration, performance, management and maintenance of the data center,etc.This paper points out the lack of the traditional network structure of data center and make a analysis and comparison of several current network structure that the mainstream data centers have adopted.And introduces the demands and characteristics with the network structure of virtualized multi-tenant datacenters in cloud computing environment .Last, makes a forecast of the future and evolution of the structure of data center network.
　　Keywords: Cloud computing, Network structure, virtualized network, multi-tenant datacenters
　　引言
　　随着互联网和信息技术的迅猛发展，数据中心的数量以及数据中心的节点数目都在成倍增长[17]，随着数据中心的规模扩大和发展，传统的以交换机为中心的基于树状的三层数据中心网络结构难以满足大规模数据中心的要求[5] [11] [12] , 新的数据中心网络结构被研究提出并部署。DCell[2]、 BCube[3]、Portland[4]、VL2[5] 等多种新型数据中心网络结构被提出广泛部署和应用于当前的商用数据中心。中国科大刘小茜，杨寿保等人提出了一种“雪花结构”新型的数据中心网络结构，可以在较短的平均路径内实现节点间路由机制，具有较小的网络开销[10]。云计算环境下的虚拟化多用户数据中心被建设和应用，对数据中心的网络结构提出的新的要求和挑战。原有的数据中心网络结构没有一种带宽分配的机制来保证每个用户的带宽和网络性能，新的基于虚拟网络的数据中心网络结构被研究提出和应用。Second Net[6] ，Seawall[7] ，Virtual Cluster[8]和Virtual Oversubscribed Cluster[8] 等被研究提出并应用部署。此外，Butterfly networks, Bruijn[9] 等数据中心网络结构也被研究提出过。
　　一 传统的数据中心网络结构
　　数据中心网络结构是数据中心的核心，它将大量服务器使用交换机和路由器等网络设施连接起来，组织成具有高带宽、高可用性、高可靠性以及负载均衡的服务器网络，对外提供计算、存储等服务。传统的数据中心网络是典型的三层树结构[6]。以交换机为中心，边缘层交换机、汇聚层交换机和核心层交换机分别构成树的节点，服务器构成叶节点。
　　
　　
　　这种网络结构中，根节点带宽会成为瓶颈，存在以下缺点。首先，带宽受限，在汇聚层，其连接边缘层的带宽远远大于连接核心层的带宽[5]。其次，扩展性差，因为核心层的设备端口数目是有限的。再次，可靠性差，如果汇聚层或者核心层的设备发生故障，网络性能会大大降低，而且根节点故障会引起单点失效。通过增加核心层交换机，虽然可以提高根节点的可靠性，但某一时刻只有一个其中根节点在运行，不能解决跟节点瓶颈的问题。
　　二 当前常用数据中心网络结构的分析和比较
　　随着数据中心规模的扩大，传统的数据中心网络结构成为限制数据中心应用的瓶颈，DCell[2]、 BCube[3]、Portland[4]、VL2[5] 等多种新的数据中心网络结构被研究提出和应用部署，下面分别做出简单介绍并加以比较。
　　
　　
　　DCell[2]是一种使用微型交换机和有多个网络端口的服务器递归定义构建的架构。在DCell中，服务器通过双向的通信链路连接到其他服务器和几个小型交换机，高层次的DCell通过低层次DCell递归建立的。DCell使用普通小型交换机进行扩展，网络规模随着服务器节点度增加会成倍地增长，一个小节点度（比如4）的DCell可以支持多达数百万台服务器，而无需使用核心交换机/路由器。下面的例子说明了如何构造不同层次的DCell。
　　DCell0是构建大的DCell的构建块。它有n个服务器和一个微型交换机（图2中 DCell0 的n=4）。DCell0的所有服务器都连接到微型交换机。它由5 个DCell0网络构成,每个DCell0作为一个虚拟节点，这些虚拟节点形成一个完整的图形。
　　
　　
　　2 BCube
　　BCube[3] 是一种典型的超立方型结构，由Microsoft Research Asia于2009年提出，是在DCell结构的基础上的一个改进。BCube也通过使用低端、廉价的交换机将服务器进行互联，构成超立方结构。这种结构也是递归定义的：首先，把n个服务器连接在一个n个端口的交换机上，构成一个结构BCube(0)；再将n个BCube(0)，按照一定的连接方式连接到n个n端口交换机上，形成BCube(1)；以此类推，BCube(k)由n个BCube(k-1)，连接到nk个n端口交换上，是BCube(1)，n=4时的BCube图：
　　
　　
　　3 PortLand
　　PortLand[4]采用胖树结构，是在A Scalable, Commodity Data Center Network Architecture[14]上提出的胖树结构上的改进。PortLand使用许多小型的交换机组成大规模的通信网络。网络结构的组织：k叉的胖树，共有k个pod，每个pod有2层，每层有k/2个交换机，低层的交换机连接k/2个主机，剩下的k/2个接口连接到聚合层。每个核心交换机有一个端口和一个pod相连，第i个端口和第i个pod相连。
　　胖树结构解决了传统的树形结构带宽利用率低、带宽不统一的问题。在胖树结构中，节点之间可以全带宽通信，根节点瓶颈问题得到解决。
　　
　　
　　4 VL2
　　VL2[5]的主要特点是提供了一个巨大的第二层网络，把来自外部网络的请求尽量均衡地分配给底层的服务器群。第一层为服务器群，通过ToR（Top of Rack）交换机接入第二层网络，如图5所示。VL2的第二层连接方式，通过使用聚合层交换机和中间层交换机的交叉连接形成一个平面的、巨大的第二层网络。VL2使用两套IP地址，模拟出一个巨大的二层网络，用来保证服务器之间的流量均衡。
　　
　　
　　上述几种数据中心的网络结构相比传统数据中心网络结构，增强了数据中心的节点的连通性，容错性更好，更容易实现负载平衡，由于使用小型交换机就能构建网络，使得数据中心的网络建设成本降低，扩展性更强。
　　（一）可扩展性更强
　　DCell和BCube结构都采用的是低端小型交换机递归定义的结构，当增加新的服务器时，不会影响已有服务器的运行，也不需要要改变原有网络结构。DCell还能为各种各样的服务提供比传统树结构更高的网络容量。另外DCell可以增量扩展并且在不完全结构的情况下表现出上述性能，降低了数据中心的成本，增强了数据中心的扩展能力。
　　（二） 容错性更好
　　容错性是指数据中心网络自动发现，容纳和修复网络故障的能力[13]。在大规模数据中心中，网络节点故障发生的几率非常高。BCube的结构特点、地址规则和BCube内部的一系列协议，保证了BCube在数据中心网络内部设备（包括服务器和交换机）故障时，整个数据中心的性能下降良好。
　　（三）负载均衡良好
　　大规模数据中心需要在各个服务器之间实现负载均衡，PortLand提出伪MAC地址（PMAC），良好地支持虚拟主机迁移，使得不必改变虚拟机的IP地址，即可完成虚拟主机迁移，从而实现负载均衡。VL2提供一个巨大的第二层网络，把来自外部网络的请求尽量均衡地分配给底层的服务器群。VL2主要强调敏捷――服务器群中的动态的资源分配，不论服务器数目的增减或虚拟主机的迁移，任何服务器可被分配给任一个服务，提供服务器之间的高带宽，各种服务之间的性能分割,VL2很好地解决了负载均衡的问题。
　　三 虚拟化大规模多用户数据中心网络结构
　　随着虚拟技术被广泛应用于数据中心，云计算[15] [16] 环境下的多用户大规模数据中心成为市场的需求。多个用户共享整个数据中心的网络，这使得数据中心内出现拒绝服务攻击和性能冲突的机会大大增加[7] 。现有的网络结构难以实现多个用户的隔离，对各个用户做到带宽保证和性能预测。基于虚拟网络的数据中心新型网络结构如SecondNet[6]，Seawall[7] ，Virtual Cluster[8]和Virtual Oversubscribed Cluster[8]等被提出和应用。
　　1 SecondNet
　　SecondNet[6]由Chuanxiong Guo, Guohan Lu等提出。他们提出在云计算环境的多用户数据中心里采用virtual data center (VDC) 作为资源分配的单元。为了实现这种分配，在现有的基础网络结构的基础上，采取一种集中的VDC分配算法来实现有带宽保证的虚拟机到物理机的映射。SecondNet采取的是port-switching source routing (PSSR)路由机制，这种端口源路由机制，不需要交换机保持每一条输入的带宽预留状况，由物理服务器来保持整个网络中的带宽预留和使用状况。SecondNet把数据中心的应用服务类型划分为三种，数据密集型的应用如web services，分布式计算等有严格的带宽要求的应用定义为type-0，文件备份等没有带宽要求的应用定义为best-effort，这二者之间还定义了一种服务type-1，用来描述那些只在局部有带宽要求的服务。三种服务类型的数据包分别有不同优先级，type-0最高，best-effort最低。在数据包前段加入路由路径和服务类型，通过采用这种保证高优先级的服务最先使用带宽的机制来实现带宽预留和保证。
　　2 Seawall
　　Seawall[7] 由Alan Shieh，Srikanth Kandula 等在《Sharing the Data Center Network》一文中提出。文中指出分享数据中心网络可以通过升级数据中心的网络结构来实现，但是硬件改动和部署代价太大，而且花费的时间太长，而且一旦部署之后，要改变也难，所有采用基于软件的解决方式。在虚拟机的通信之间加入一个中间层，这个中间层能给某一条链接上的每一个实体（实体包括虚拟机、进程，或者端口的集合但是不包括整个客户或者虚拟机簇）的通信定义一个权重，每个实体按所占的权重分配带宽。某条链路L上的某个实体（k）所占的权重为wk每一个实体所占的带宽量为：
　　 这里Active(L) 是指这条链上活跃的实体。下图就是Seawall的分配实现过程：其中灰色部分就是新增加的层。
　　
　　
　　3 Virtual Cluster和Virtual Oversubscribed Cluster
　　Virtual Cluster[8]和Virtual Oversubscribed Cluster[8]是由Hitesh Ballani，Paolo Costa等提出的两种虚拟网络抽象模型。Virtual Cluster的结构如下：
　　
　　
　　Virtual Cluster是一种没有超额订购的网络抽象，用户需要N个虚拟机，每个虚拟机和虚拟交换机之间的带宽要求是B，虚拟机总的带宽需求是N*B。
　　Virtual Oversubscribed Cluster的结构如下：
　　
　　
　　相比Virtual Cluster ，Virtual Oversubscribed Cluster没有那么密集的联通性，用户需要N个虚拟机，被分成S组，每个虚拟机和Group Switch之间的带宽需求是B,每个组和根交换机之间的带宽需求是B、= B*S/O,其中O是超额订购因子。 这两种虚拟抽象分别满足不同的应用类型，通过采用一种贪婪的虚拟机分配算法，在数据中心的基础网络上尽量多的抽象出多个抽象模型满足多个用户的需求。从而保证了数据中心基础物理网络的高利用率和每一个用户的带宽保证。
　　四 数据中心网络结构未来发展预测和展望
　　随着虚拟技术的成熟，云计算平台下的各种服务和应用都迁移到数据中心，数据中心的规模会越来越大，数据中心的网络结构肯定会随着不断发展和成熟。可以预测未来的数据中心网络结构会向以下几个方面发展：
　　（一）虚拟化
　　随着虚拟技术，特别是虚拟网络在数据中心网络中的应用。多种应用承载在一张数据中心的物理网络上，通过网络虚拟化分割（称为纵向分割），使得不同应用相互隔离，但可在同一网络上访问自身应用，从而实现了将物理网络进行逻辑纵向分割虚拟化为多个网络；多个网络节点承载上层应用，基于冗余的网络设计带来复杂性，而将多个网络节点进行整合（称为横向整合），虚拟化成一台逻辑设备，提升数据中心网络可用性、节点性能的同时，简化数据中心网络架构。
　　（二）延续性，独立性
　　新虚拟网络架构要能够基于现有的多种不同的物理基础网络架构，虚拟网络结构能独立于物理网络结构，物理拓扑的改变不会影响虚拟网络结构，新的数据中心虚拟网络容纳多种不同网络通信模型的应用程序。
　　（三）可扩展性更、容错性更强
　　云计算环境下的多用户数据中心，各个相对独立的用户共享整个网络。随着更多的网络应用向数据中心的迁移，用户的需求是动态变化的。随着网络规模的扩大，各个物理服务器，物理网络节点出错的概率大大增加，这就要求未来的数据中心网络结构有更好的可扩展性，更好的容错性和负载均衡能力。
　　
　　参考文献
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　　[7] Alan Shieh, Srikanth Kandula, Albert Greenberg, Changhoon Kim, Bikas Saha “Sharing the Data Center Network”
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　　[10] 刘晓茜，杨树保，郭良敏， 王淑玲， 宋浒” 雪花结构：一种新型数据中心网络结构”
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　　[15] Amazon EC2 Spot Instances.http://aws.省略/ec2/spot-instances/.
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　　[17] Google investor relations[EB/OL].http://investor.省略./financial.2011
　　
　　作者简介： 程容斌(1981年5月) ，男 ，湖南武冈人，国防科大计算机学院工程硕士，主要研究方向：数据中心网络管理 电话 ：13548687642
　　王宏 男 湖南长沙人 国防科大计算机学院副教授 主要研究方向 网络管理 数据中心管理
　　杜勇 1988年6月 男 湖南衡阳人，国防科大计算机学院工程硕士，主要研究方向：数据中心网络管理
　　程辉 1982年8月 男 新疆阿克苏人 ，国防科大计算机学院工程硕士，主要研究方向：网络延迟测量

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