基于Kautz图的数据中心网络拓扑结构研究

论文摘要

近年来,随着云计算和数据密集型计算技术的飞速发展,数据中心网络作为底层基础设施发挥着越来越重要的作用,成为云计算领域的研究热点。数据中心网络向上层的分布式文件系统、结构化数据和虚拟化技术等提供可靠、高效的数据通信、计算和存储服务。如何高效地连接数目日益增长的服务器,即如何设计数据中心网络的拓扑结构,成为了研究中的关键问题。企业界的数据中心网络以树形结构为主,但树形结构存在性能瓶颈和单点失效问题。DCell网络具有很好的带宽性能、可扩展性和容错性,其缺点是互联关系复杂,难以在大规模环境下实现。基于上述考虑,本文研究基于Kautz图的数据中心网络拓扑结构及其路由协议,利用Kautz图在结点规模、路径长度和容错性上的良好性质,构建高效、容错、可扩展的数据中心网络。论文的主要工作有:基于Kautz图的数据中心网络拓扑结构。针对树形结构的带宽瓶颈问题和DCell网络互联关系复杂的问题,本文利用Kautz图在结点规模和路径长度上的良好性质,提出了基于层次Kautz图的HUK拓扑结构,包括服务器编址方式、互联规则和增量扩展算法。HUK结构能有效地降低DCell层次结构的互联层数,简化互联结构,降低网络的布署和维护开销。同时利用Kautz图在网络直径为2时的原子扩展性质,继承并改进了DCell的的增量扩展算法,支持后续服务器以HUK0为单位的灵活扩展,满足数据中心网络的可扩展性需求。针对静态的层次Kautz结构设计了分布式容错路由算法。基于层次Kautz结构,本文提出了在同一层次结点之间使用移位路由策略,在不同层次结点之间使用递归路由策略的HUK路由算法。同时针对网络中出现的各类失效问题,利用Kautz图良好的容错性,设计了HUK容错路由策略。并利用HUK结构互联层次相对简单的特点,进一步优化了容错路由策略。由理论分析和实验结果可知,分布式路由算法在大规模HUK网络中的路径长度是可接受的,增量扩展过程中结点之间的路由性能保持较好;容错路由算法在部分设备失效的情况下能保证网络的良好运行,且容错路径长度随失效率增长的趋势较DCell结构缓慢,路径长度更优。验证HUK拓扑结构和路由算法有效性的仿真实验程序。仿真实验程序实现了HUK互联结构定义,常规路由算法,容错路由算法和增量扩展过程。本文通过仿真实验程序验证了HUK结构及其路由算法在大规模环境下的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 数据中心网络概论
• 1.1.1 数据中心网络的定义
• 1.1.2 数据中心网络的需求分析
• 1.1.3 数据中心网络存在的问题与解决途径
• 1.2 本文工作
• 1.3 论文结构
• 第二章 相关工作
• 2.1 数据中心网络拓扑结构
• 2.1.1 树形结构
• 2.1.2 胖树结构
• 2.1.3 DCell 网络
• 2.1.4 BCube 网络
• 2.2 组合网络结构与Kautz 图
• 2.2.1 组合网络结构及其应用简介
• 2.2.2 Kautz 图定义
• 2.2.3 Kautz 图性质
• 2.3 本章小结
• 第三章 基于层次Kautz 图的静态拓扑结构
• 3.1 引言
• 3.2 HUK（Hierarchical Undirected Kautz） 定义
• 3.3 服务器编址方式
• 3.3.1 Kautz 串到整数的映射
• 3.3.2 地址表示
• 3.4 互联规则
• 3.5 增量扩展
• 3.5.1 Kautz 图的可扩展性
• 3.5.2 HUK 增量扩展
• 3.6 实验结果与分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 基于层次Kautz 图的动态路由策略
• 4.1 引言
• 4.2 常规路由策略
• 4.2.1 最短路径路由策略
• 4.2.2 基于Kautz 路由的分布式路由策略
• 4.3 容错路由策略
• 4.3.1 链接失效
• 4.3.2 服务器失效
• 4.3.3 机架失效
• 4.4 实验结果与分析
• 4.4.1 平均路径长度
• 4.4.2 容错路由
• 4.4.3 增量扩展
• 4.5 本章小结
• 第五章 仿真程序设计与实现
• 5.1 常规路由算法实现
• 5.2 容错路由算法实现
• 5.3 增量扩展过程实现
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文工作总结
• 6.2 未来工作展望
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果