20世紀(jì)90年代，客戶端/服務(wù)器的計算模式得到了廣泛應(yīng)用，在這種計算模式中，數(shù)據(jù)中心用來存放服務(wù)器并提供服務(wù)。近幾年，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展掀起了建設(shè)數(shù)據(jù)中心的高潮，網(wǎng)上銀行、證券和娛樂資訊等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)逐漸普及，特別是云計算?技術(shù)的發(fā)展為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)形式帶來重大變革，使數(shù)據(jù)中心的發(fā)展進入了鼎盛時期。

    在云計算環(huán)境下，Internet網(wǎng)絡(luò)由傳送信息數(shù)據(jù)到直接傳送服務(wù)。數(shù)據(jù)中心作為企業(yè)構(gòu)建私有云的硬件平臺或者公有云的骨干資源，運行其上的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)更加多樣化、復(fù)雜化，在性能、可靠性和可管理性上的要求越來越細化，這就需要新的設(shè)計理念和運行機制的支持，特別是作為信息傳輸?shù)幕�礎(chǔ)部分——網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和管理機制需要重新設(shè)計以滿足越來越復(fù)雜和多樣的數(shù)據(jù)流傳輸需求。

    隨著存儲虛擬化等資源虛擬化技術(shù)的發(fā)展，通常數(shù)據(jù)中心內(nèi)的物理主機上會搭載若干獨立的虛擬主機，并且虛擬主機可以根據(jù)需要在不同的物理主機上遷移。在面向云計算的數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，資源虛擬化技術(shù)的出現(xiàn)使得多個具有獨立IP地址的虛擬主機公用同一條物理鏈路。即使目前使用了一些過渡的方式令網(wǎng)絡(luò)層能夠提供一定的支持，但是傳統(tǒng)的TCP／IP或者UDP等協(xié)議已經(jīng)越來越無法為各種服務(wù)應(yīng)用提供足夠的性能保障。這點在虛擬機遷移及多QoS個性化需求方面顯得尤為突出，因此需要將數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)硬件進行虛擬化以形成多個不同的虛擬網(wǎng)絡(luò)拓撲從而對資源虛擬化應(yīng)用提供更好的支持。

    為此，本文設(shè)計了通過低造價的可編程交換機和商業(yè)級服務(wù)器來構(gòu)建具有高連通性的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓撲的方法。并且提出了虛擬網(wǎng)絡(luò)的控制管理機制，形成了面向云計算的數(shù)據(jù)中心底層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。實驗表明，本文提出的網(wǎng)絡(luò)體系相較于傳統(tǒng)樹形網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)吞吐量及容錯方面都有較大提升。并且為虛擬機的遷移提供了更加靈活、高效的支持。

1 相關(guān)研究

    在數(shù)據(jù)中心拓撲構(gòu)建上，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心所采用的樹形分層結(jié)構(gòu)(如圖1所示)通常為包括接入層、匯聚層、核心層的3層結(jié)構(gòu)。在樹形的末端，一個機架上通常存放數(shù)10臺服務(wù)器，這些服務(wù)器通過接入層的交換機連接到網(wǎng)絡(luò)上。在匯聚層和核心層，為了提供盡可能高的性能，采用了造價極高的高端交換機(10 GE級別)形成高連通網(wǎng)絡(luò)拓撲。

    圖1傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

    傳統(tǒng)樹形網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方式已經(jīng)難以滿足新一代網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的需求。首先，這類結(jié)構(gòu)無法提供足夠高的對剖帶寬、吞吐量及實時通信等性能要求，也無法提供高可擴展性；其次。樹形結(jié)構(gòu)在上層存在單點故障，一臺核心層或者匯聚層的交換機故障將會導(dǎo)致很大數(shù)量的服務(wù)器無法進行通信；另外由于傳統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)在匯聚層與核心層需要部署昂貴的高端高帶寬交換機。性價比不高。

    關(guān)于云計算數(shù)據(jù)中心非樹狀網(wǎng)絡(luò)拓撲構(gòu)建方面的研究比較具有代表性的有微軟的研究團隊和美國加州大學(xué)的研究團隊。加州大學(xué)的Al—Fares等人提出了Clos Networks，Clos Networks是一種基于胖樹(fat tree)的類樹形結(jié)構(gòu)拓撲，其主要目的是在網(wǎng)絡(luò)端節(jié)點處實現(xiàn)更高的聚合帶寬。網(wǎng)絡(luò)分3層：核心交換機、聚合交換機及端交換機，通過增加一定的布線復(fù)雜度來連接成一個胖樹形網(wǎng)絡(luò)，端交換機用來連接PC機。在網(wǎng)絡(luò)層，Clos Networks使用兩層路由表及多路徑的流調(diào)度機制，在全負載最壞的情況下可以實現(xiàn)約87％的聚合帶寬。加州大學(xué)的Guo等人引入了并行計算的一些思想，提出了DCell。DCell是一種遞歸構(gòu)建方式的數(shù)據(jù)中心，使用的是商業(yè)級PC和低端交換機，高一級的DCell由若干低一級的DCell組成。DCell的擴展性相對于節(jié)點的度具有雙倍指數(shù)增長關(guān)系，并且大大降低了數(shù)據(jù)中心的成本。微軟亞洲研究所的Dan Li聯(lián)合加州大學(xué)的研究團隊提出了一種使用雙網(wǎng)卡PC機和低端交換機來構(gòu)建數(shù)據(jù)中心的思路，命名為FiConn，F(xiàn)iConn同樣使用遞歸構(gòu)建模式，具有很好的可擴展性和連通性。在FiConn的遞歸拓撲中，鏈路被分為若干級別，在網(wǎng)絡(luò)層中通過一種低開銷的流量自適應(yīng)路由機制來平衡各級別鏈路中的流量從而達到平衡負載和提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量的目的。

    在上述的3種新型數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓撲中，CIosNetworks網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的主機在網(wǎng)絡(luò)滿負荷情況下仍能夠以網(wǎng)卡硬件端口允許的最大帶寬進行通信，從而提供了最高的網(wǎng)絡(luò)對剖帶寬，并且由于ClosNetworks實際上是一種特殊的樹形結(jié)構(gòu)變體，因此能夠提供最好的兼容性，但是造價要高于DCell和FiConn。DCell具有最好的可擴展性，但是需要在主機上安裝更多的網(wǎng)卡，F(xiàn)iConn只需在每臺主機上安裝兩塊網(wǎng)卡，兩者都增加了布線的復(fù)雜性。在容錯性上，F(xiàn)iConn和DCell由于采用了遞歸的拓撲結(jié)構(gòu)，主機需要承擔(dān)路由功能并且網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的交換機和主機存在級別差異，因此在交換機及主機故障的情況下將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)流分配不平衡，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能的顯著下降。文獻[7]比較了這3者的容錯性，F(xiàn)iConn和DCeIl的容錯性能明顯低于ClosNetworks網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。另外，這兩種結(jié)構(gòu)都需要使用全新的路由算法，對于現(xiàn)有應(yīng)用的支持還有待于進一步解決。

    在應(yīng)對資源虛擬化應(yīng)用方面的相關(guān)研究上，微軟研究團隊的Greenberg，Hamilton，Jain等人提出了VL2L8J，VL2主要考慮如何使得虛擬機在服務(wù)器上進行靈活的遷移，力求使得虛擬機的遷移對客戶及程序設(shè)計者透明。VL2使用了Clos Networks的拓撲結(jié)構(gòu)，并在網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層之間加入了相應(yīng)的路由控制機制。在VL2所提出的體系結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用程序使用服務(wù)地址通信而底層網(wǎng)絡(luò)使用位置信息地址進行轉(zhuǎn)發(fā)，這就使得虛擬機能夠在網(wǎng)絡(luò)中任意遷移而不影響服務(wù)質(zhì)量。加州大學(xué)的Mysofe等人提出了PortLandL，PortLand使用的同樣是ClosNetworks的拓撲結(jié)構(gòu)，通過在2.5層中使用虛擬MAC地址來實現(xiàn)虛擬機自由遷移。在服務(wù)器上的某個虛擬機與端交換機第1次通信時，端交換機建立該虛擬機的實際MAC地址到虛擬MAC地址并將其發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)底層控制程序，虛擬機進行ARP廣播時端交換機將廣播攔截。然后查詢底層控制程序并返回相應(yīng)的IP地址，這樣使得虛擬機可以自由遷移不用考慮尋路問題。

    文獻[8—9]的解決方法在一定程度上提高了虛擬機遷移后的再尋址時間延遲問題，目前通過DNS的實現(xiàn)方式需要數(shù)分鐘甚至更久，采用新方法后可以縮減到數(shù)十秒。但是前者需要在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部署專門尋址服務(wù)器，并且需要有良好的分布式實時通信機制支持，后者主要在可編程交換機上實現(xiàn)，對交換機性能的要求較高。另外，這兩種方法都無法將隸屬于不同應(yīng)用的虛擬主機進行有效的隔離，在網(wǎng)絡(luò)通信量較大時，不用服務(wù)的數(shù)據(jù)流由于競爭帶寬會相互影響。

2低成本高連通性的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

    在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案設(shè)計中，如何在保證足夠高性能的前提下盡量減少造價是至關(guān)重要的。本文的目的就是利用低造價且型號單一的可編程交換機及商業(yè)級服務(wù)器來構(gòu)建數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓撲，新的網(wǎng)絡(luò)拓撲在對剖帶寬及網(wǎng)絡(luò)聚合吞吐量上要高于傳統(tǒng)樹形分層結(jié)構(gòu)，并能夠?qū)�資源虛擬化技術(shù)應(yīng)用特別是虛擬主機在網(wǎng)絡(luò)中的遷移行為提供更加靈活的支持。

    2．1 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

    從降低成本方面考慮，利用低造價交換機及商業(yè)級服務(wù)器來構(gòu)建數(shù)據(jù)中心可以大大減少成本支出。另外，鑒于現(xiàn)在的PC機和服務(wù)器都具有至少兩個網(wǎng)絡(luò)端口，充分利用這些端口可以大大提高拓撲內(nèi)節(jié)點的連通性以獲得更大的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。這樣的構(gòu)建方案具有更好的性價比。

    圖2是本文提出的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓撲構(gòu)圖，整個網(wǎng)絡(luò)由同一型號的可編程交換機組成，中間的服務(wù)器將網(wǎng)絡(luò)分割成兩個對稱的Fat—Tree結(jié)構(gòu)的特殊變體。每個這樣的Fat—Tree結(jié)構(gòu)包含核心層、匯聚層和接人層3個層次，使用這樣結(jié)構(gòu)的好處是可以保證每臺服務(wù)器的任意網(wǎng)絡(luò)端口都可以同時以網(wǎng)絡(luò)硬件接口所允許的最大帶寬進行通信而不受網(wǎng)絡(luò)通信帶寬瓶頸的制約。

    網(wǎng)絡(luò)能夠容納的服務(wù)器數(shù)量取決于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)所使用的交換機的端口數(shù)志(圖2中，k一2)。網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)器被分成走組，每組包含(k/2)2臺服務(wù)器。網(wǎng)絡(luò)被服務(wù)器分成上下兩個部分，每部分的接入層和匯聚層對應(yīng)每組都有k／2臺交換機，每個接入層的交換機分別連接k／2臺服務(wù)器，剩下的端口分別連接上層的交換機。核心層有(k／2)2臺交換機，每臺交換機的第i個網(wǎng)絡(luò)端口連接到第i組的匯聚層的某臺交換機。這樣每個匯聚層的交換機都有k／2條鏈路與核心層的各個交換機相連接。使用具有k個端口的交換機組建的網(wǎng)絡(luò)可以容納k3／4臺服務(wù)器。本文提出的這種結(jié)構(gòu)適用于任意端口數(shù)的交換機，如采用常見的48口交換機。那么按照本文提出的方法構(gòu)建的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)可以包含27 648臺服務(wù)器，足夠支持企業(yè)構(gòu)建自己的私有云平臺。

    圖2 高連通性低造價網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖

    本文提出的這種網(wǎng)絡(luò)拓撲構(gòu)建方式有以下4個優(yōu)點：1)雖然相較于傳統(tǒng)樹形結(jié)構(gòu)使用了更多的交換機。但是由于無需在核心層和匯聚層采用造價昂貴的高端高性能交換機，因此減少了總體構(gòu)建成本；2)對于網(wǎng)絡(luò)中任意的兩臺服務(wù)器之間都存在多條等長度的路徑可供選擇；3)充分利用了服務(wù)器的兩個網(wǎng)絡(luò)端口，提高了網(wǎng)絡(luò)的連通性和吞吐量；4)在本文提出的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中不存在像傳統(tǒng)樹形結(jié)構(gòu)中的單點故障。因此容錯性得到了加強。

    2．2網(wǎng)絡(luò)地址分配

    在地址分配方式上，為了保證兼容性，采用了與IP地址相同的結(jié)構(gòu)。對稱的上下兩部分網(wǎng)絡(luò)分別采用10．O．O．O／8和20．O．0．0／8兩個地址段．接入層及匯聚層交換機地址形式為10．g．s．1及20．g．s．1，其中g(shù)為組號，s為交換機號(由O開始，從左至右，從下到上遞增)．核心層交換機的地址分別為10．k．j．i和20．k．_j．i，其中志為組號。_j為匯聚層交換機編號(從O開始，由左至右遞增)，i為該交換機與核心層交換機連接的端口序號(0一k／2)。

    主機網(wǎng)絡(luò)端口的地址與其連接的接入層交換機處于同一網(wǎng)段，形式為10．g．s．fd和20．g．s．謝，其中id為服務(wù)器編號，由左至右遞增，范圍為(2,k／2+1)。

    這樣的地址結(jié)構(gòu)使得后續(xù)給出的虛擬網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及控制管理機制都能夠良好地兼容目前廣泛的基于IP協(xié)議的上層應(yīng)用。只要IP地址結(jié)構(gòu)不變，那么對于網(wǎng)絡(luò)層作出的相應(yīng)改動相對于上層應(yīng)用來說就是透明的，上層應(yīng)用不必理解地址字段的特殊含義。

3虛擬網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及控制管理機制

    云計算環(huán)境下，數(shù)據(jù)中心內(nèi)服務(wù)器上通常運行多個虛擬機來提供不同的服務(wù)，這樣能夠便于應(yīng)用服務(wù)的迅速、靈活的部署，在服務(wù)器硬件故障發(fā)生時。虛擬機將遷移到另外的服務(wù)器上。目前虛擬機遷移后的恢復(fù)尋址工作通常由DNS服務(wù)器來完成，但是由于DNS系統(tǒng)被動的工作機制導(dǎo)致效率不高。從底層網(wǎng)絡(luò)支持情況來講，運行不同應(yīng)用服務(wù)的虛擬機對于網(wǎng)絡(luò)的QoS具有不同的個性化需求，目前情況下，底層網(wǎng)絡(luò)普遍采用的基于盡量交付機制的IP協(xié)議對于個性化的支持顯然不夠。另外，讓隸屬于不同應(yīng)用服務(wù)的眾多虛擬機同時運行在同一個物理網(wǎng)絡(luò)上也造成了管理和帶寬分配的混亂。

    因此，本文提出了一種底層網(wǎng)絡(luò)控制管理體系結(jié)構(gòu)，通過將硬件網(wǎng)絡(luò)分割成不同的虛擬網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)對上層應(yīng)用靈活的支持。不同的虛擬網(wǎng)絡(luò)內(nèi)運行隸屬于不同應(yīng)用服務(wù)的虛擬機。這樣可以根據(jù)應(yīng)用服務(wù)的QoS需求來決定網(wǎng)絡(luò)所運行的協(xié)議及參數(shù)也更加有利于虛擬機的控制和管理。虛擬網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建也將為數(shù)據(jù)中心的多用戶租賃服務(wù)和云計算環(huán)境下的資源分配提供配套的靈活管理和帶寬控制體系，進一步促進虛擬化技術(shù)與數(shù)據(jù)中心的融合。

    3．1 對虛擬機遷移的支持體系

    圖3為虛擬網(wǎng)絡(luò)劃分及控制管理系統(tǒng)示意圖．在開源操作系統(tǒng)的2．5層添加一個代理與交換機協(xié)同工作是可行的。本文的思路是借鑒應(yīng)用于Internet骨干網(wǎng)絡(luò)交換機上的網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，并使駐留在主機上的代理與可編程交換機的控制軟件實時地交換網(wǎng)絡(luò)運行時參數(shù)，以達到動態(tài)調(diào)整各虛擬網(wǎng)絡(luò)帶寬的分配及控制管理參數(shù)的目的。這樣的協(xié)同工作機制使得不同的虛擬網(wǎng)絡(luò)運行不同的網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議成為可能，這將能夠保證運行于不同虛擬網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用服務(wù)對于QoS的個性化需求。

    圖3 虛擬網(wǎng)絡(luò)管理體系結(jié)構(gòu)示意圖

    2．5層代理的另一個重要功能就是實現(xiàn)虛擬機的迅速遷移，文獻[8—9]都設(shè)計了2．5層代理的映射功能，通過將虛擬地址和實際地址進行一次映射以隔離上層應(yīng)用使用的網(wǎng)絡(luò)地址和底層網(wǎng)絡(luò)進行交換時使用的物理地址之間的聯(lián)系。不同的是文獻[8]映射的是服務(wù)地址和位置信息地址，而文獻[9]映射的是虛擬MAC地址和實際MAC地址。

    本文提出的辦法是令每臺主機上駐留的代理為每個虛擬網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建一個映射表(如圖4所示)，用來記錄網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的虛擬機IP地址與物理主機MAC地址的對應(yīng)關(guān)系。代理之間可以實時通信，通過類似路由發(fā)現(xiàn)的分布式通信機制，周期性更新運行于各臺服務(wù)器上的虛擬主機與硬件網(wǎng)絡(luò)地址的對應(yīng)關(guān)系。

    在某個服務(wù)器上建立新的虛擬主機時，代理會記錄新的虛擬IP地址與物理主機MAC地址的對應(yīng)關(guān)系并在該虛擬網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進行廣播，這樣各個代理上對應(yīng)該虛擬網(wǎng)的映射表都將被更新。當(dāng)虛擬機間通信時，請求通信的主機發(fā)送的ARP探測包將直接被代理捕獲，檢索本機代理上的映射表，如果有匹配項將直接返回對應(yīng)的MAC地址，如果沒有，代理將負責(zé)進行廣播以獲得正確的MAC地址。當(dāng)出現(xiàn)服務(wù)器故障時，虛擬主機遷移到其他服務(wù)器上之后，服務(wù)器上的代理將會在網(wǎng)絡(luò)中主動廣播遷移后虛擬主機地址與服務(wù)器端口的對應(yīng)關(guān)系從而加快虛擬機遷移后的恢復(fù)時間。

    圖4 代理負責(zé)創(chuàng)建和管理的虛擬機與MAC地址映射表

    3．2虛擬網(wǎng)絡(luò)帶寬分配機制

    本文提出的帶寬分配及控制機制建立在圖3所示的虛擬網(wǎng)絡(luò)管理體系之上，可編程交換機負責(zé)分配帶寬，2．5層代理負責(zé)參數(shù)的協(xié)調(diào)和反饋。帶寬分配機制示意圖如圖5所示：

    圖5帶寬分配機制結(jié)構(gòu)圖

    每臺可編程交換機上都部署一個這樣的帶寬分配邏輯單元，以便對于虛擬網(wǎng)內(nèi)的各條鏈路都能夠進行分配和控制。在圖5中ri是由主機上的2．5層代理返回的虛擬機VMim。網(wǎng)絡(luò)端口的發(fā)送速率，以類似于TCP／IP擁塞窗口慢啟動機制的算法進行增減，yi是當(dāng)前虛擬鏈路占用的帶寬，λt是通過ri和yi計算出的用于帶寬分配決策的輸入?yún)��?shù)。

    帶寬分配的目的是在保證所有虛擬網(wǎng)絡(luò)帶寬的總和不超過物理鏈路最大帶寬的前提下，使所有虛擬網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用率達到最優(yōu)，這樣就把帶寬分配問題抽象成了一個最優(yōu)化的數(shù)學(xué)問題從而根據(jù)經(jīng)典數(shù)學(xué)算法進行求解。本文采用了根據(jù)鏈路的擁塞狀態(tài)反饋來周期性的分配虛擬網(wǎng)絡(luò)帶寬的方法。擁塞狀態(tài)Skt的計算函數(shù)如下：

    其中t代表時間，T是一個時間周期，口是用于平滑結(jié)果的O，1之間的步迸值。由式(1)可見，虛擬網(wǎng)絡(luò)k在鏈路l上的鏈路擁塞狀態(tài)由其得到的帶寬ykl和鏈路負載rkl決定。通過式(1)，每個虛擬網(wǎng)絡(luò)可以動態(tài)地調(diào)整所占用的虛擬鏈路的網(wǎng)絡(luò)帶寬。

    在交換機端，目的是讓所有的虛擬鏈路能夠協(xié)同工作以獲得最大利益，這是一個總體最優(yōu)化問題，其數(shù)學(xué)模型如下：

    本文關(guān)于帶寬分配機制的設(shè)計主要目的是給出運行于可編程交換機上的系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)，在帶寬分配算法上還可以采用其他的數(shù)學(xué)模型進行求解。

4實驗與討論

    本文的實驗軟件采用了斯坦福大學(xué)研發(fā)的0penFlow VMLl21仿真平臺。采用這一工具的原因是目前已經(jīng)有一些廠商(如NEC公司)開始生產(chǎn)基于openFlow的可編程交換機，仿真結(jié)果具有較強的實際價值。實驗所用硬件平臺采用的是IBMX3650服務(wù)器，4核Xeon 3．06 GHz處理器×2，16 GB內(nèi)存，操作系統(tǒng)為CentoS 5。

    仿真實驗在OpenFlow VM環(huán)境內(nèi)分別構(gòu)建如圖1所示的傳統(tǒng)樹形分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及本文提出的如圖2所示的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均采用8口交換機進行構(gòu)造，其中樹形結(jié)構(gòu)的匯聚層及核心層的帶寬為10 Gbps，其余鏈路均為1 Gbps，各網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)部署的服務(wù)器數(shù)量均為128臺。在構(gòu)建的虛擬網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上，通過D-ITG模擬出數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的all—to—all通信流量，測試了在交換機故障下的網(wǎng)絡(luò)聚合瓶頸吞吐量變化趨勢。聚合瓶頸吞吐量是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各數(shù)據(jù)流獲得的最小帶寬與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)總數(shù)據(jù)流數(shù)量的乘積，它可以反映一個數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓撲的性能。

    由圖6可見，本文提出的體系結(jié)構(gòu)在無故障情況聚合瓶頸吞吐量3倍于傳統(tǒng)的樹形結(jié)構(gòu)，并且隨著交換機故障率的上升，呈現(xiàn)出更加平滑的下降趨勢。導(dǎo)致這樣結(jié)果的原因主要是由于傳統(tǒng)樹形結(jié)構(gòu)在高層存在不可避免的對剖帶寬限制，尤其是當(dāng)某臺交換機出現(xiàn)故障時將給網(wǎng)絡(luò)其他交換機帶來很大的負載，而本文的結(jié)構(gòu)由于采用了更多的交換設(shè)備并充分利用了服務(wù)器的兩塊網(wǎng)卡構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，因而網(wǎng)絡(luò)容量和容錯性都得到了很大提升。

    圖6 聚合瓶頸吞吐量相對于交換機故障的變化率

    圖7虛擬網(wǎng)絡(luò)吐量變化曲線

    從圖7可以看出，兩個虛擬網(wǎng)絡(luò)的吞吐量收斂迅速(大概經(jīng)過5個周期)由于優(yōu)先級相等，兩個虛擬網(wǎng)絡(luò)最終占用的帶寬也相等(基本等于實際物理鏈路帶寬的一半)。該實驗結(jié)果反映了本文提出的虛擬網(wǎng)絡(luò)帶寬分配管理機制對于虛擬網(wǎng)絡(luò)帶寬的分配是符合預(yù)先設(shè)計目標(biāo)的。

5結(jié)論和進一步工作

    隨著數(shù)據(jù)中心的不斷發(fā)展，特別是云計算技術(shù)應(yīng)用熱潮的到來，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的拓撲結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)必將面臨變革。為此，本文提出了一種新型的面向云計算的高性價比數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，給出了網(wǎng)絡(luò)拓撲的構(gòu)建方式和虛擬網(wǎng)絡(luò)的劃分管理及帶寬分配機制，為上層的應(yīng)用服務(wù)及資源虛擬化應(yīng)用提供了更靈活的支持。

    在構(gòu)建方式上，本文提出的拓撲結(jié)構(gòu)雖然采用了兩倍于Clos Network結(jié)構(gòu)的交換機數(shù)量。但是無需使用造價昂貴的高端高性能交換機并充分利用了服務(wù)器的兩個網(wǎng)絡(luò)端口。因此在提高數(shù)據(jù)中心構(gòu)建性價比的同時大幅提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。實驗表明，本文提出的新型低成本網(wǎng)絡(luò)拓撲可以實現(xiàn)更大的網(wǎng)絡(luò)聚合瓶頸吞吐量和更強的容錯性能。另外，本文提出的虛擬網(wǎng)絡(luò)帶寬分配機制工作良好，在網(wǎng)絡(luò)流量變化的情況下能夠迅速收斂，這將為云計算環(huán)境下資源虛擬化技術(shù)提供支持，并為網(wǎng)絡(luò)虛擬化的發(fā)展提供一定的技術(shù)儲備。

    為了應(yīng)對目前虛擬機遷移遇到的困難，解決通過被動更新DNS來實現(xiàn)遷移的不足，本文提出的基于2．5層代理的方法還需要進一步的研究和實驗。下一步主要工作將論證2．5層嵌入程序?qū)τ诓僮飨到y(tǒng)帶來的開銷以及代理間通信所造成的網(wǎng)絡(luò)開銷的大小及合理性。另外，由于新型拓撲仿真困難，所需工作量巨大，而相關(guān)研究中介紹的部分網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在openFlow VM環(huán)境下的實現(xiàn)存在一些技術(shù)問題，下一步將考慮采用合適的仿真工具對這些新提出的技術(shù)方案進行比較。

核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。

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本文標(biāo)題：面向云計算的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

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