[发明专利]数据中心的一种无损持续可扩展互联结构

说明书

技术领域

本发明属于数据中心和云计算领域，涉及数据中心的一种无损持续可扩展互联结构及配套路由方法，使数据中心在不改变各个服务器配置的前提下满足持续可扩展性、无损可扩展性、高容错性、以及高性价比等设计目标。

背景技术

数据中心(data center)指用于集中安置计算机系统以及相关部件(服务器，交换机等)的设施，并包含备用电源，电流传输设备，环境控制(如空调、灭火器等)和安全设备。随着云计算、物联网等新型应用形态层出不穷，数据中心作为重要的支撑力量，逐步成为目前学术界和工业界关注的焦点。科学家们已经意识到，科学技术的进一步发展不是缺少数据，而是缺少存储数据和分析数据的有效方法。目前一些国际知名网络服务企业如美国谷歌、微软、亚马逊、中国腾迅、阿里巴巴等公司都陆续建立了大型数据中心用于存储大规模数据，并利用分布式存储和处理的强大功能，将数据及时高效的传输到全球各个用户。例如，谷歌公司拥有的30多个数据中心截止2006年已经有近450,000台服务器。在每个数据中心内部，大量服务器和网络设备通过特定的互联结构实现互联。

与此同时，许多应用服务，如谷歌搜索等对服务器间数据交换带宽的要求越来越高。而数据中心的现有互联结构是依靠交换机、核心交换机、核心路由器将服务器连接起来构成的如图1所示的树型结构。树型结构的高层核心交换机、核心路由器往往构成数据中心的流量瓶颈，而且其容错性也不理想，容易出现单点故障。随着数据中心规模的急剧扩大，这种树型互联结构越来越难以确保数据中心所追求的渐进可扩展、高容错能力、高聚集带宽等系统指标。为了能更好地实现数据中心所追求的设计指标，越来越多的新型互联结构在近几年被提了出来。这些互联结构大致被分为两类。第一类是以交换机为中心，其将众多交换机互联为不同于树型结构的其它互联结构，而每台服务器仅仅同一个交换机互联，其中的互联规则和路由规则全部由交换机来完成。例如Fat-Tree和VL2。第二类是以服务器为中心的互联结构，各交换机之间并不直接互联，而服务器之间以及服务器和交换机之间依据特定互联结构连接，其中互联规则和路由规则主要由服务器完成，例如DCell，FiConn和BCube。

DCell利用低端交换机以及具有多个网络适配器端口的大量服务器通过迭代方式构造的层次式互联结构，每个高层DCell通过一定数量的下层DCell之间的进一步互联来构建，多个同层DCell之间彼此全连通。第零层的DCell是基本构建模块，由一个n个端口的低端交换机及与其直接互联的n个服务器组成。图2给出了一个两层DCell的互联结构。

Dcell使用通用超级立方体(Generalized hypercube)互联规则来连接大量服务器和低端交换机，进而为数据中心构造出一种层次式互联结构。具有多个网络适配器端口的服务器连接到多个层次的低端交换机，任何两个服务器之间没有直接连接。图3给出了一个两层的BCube互联结构。

以服务器为中心的互联结构具有以下优点：首先，服务器的可编程能力要比交换机强，因而各类新型互联结构的实现和部署更加灵活；其次，商用服务器出厂时即可配备多个网络适配器端口NIC(Network Interface Card)，通过这些网络适配器端口实现服务器之间的直接互联能够提高服务器间端到端的吞吐量以及数据中心的抗单点失效能力；最后，以服务器为中心的互联结构只需采用低端交换机即可，无需同以交换机为中心的互联结构一样使用大量昂贵的高端交换设备，因此大大降低了数据中心的硬件成本。尽管目前提出的以服务器为中心的解决方案具备上述优点，但是存在如下两个方面的问题。

(1)依托于数据中心的各类应用如何才能不因数据中心的规模扩展而受影响？这呼吁一种具有无损扩展能力的数据中心互联结构，在其规模扩展的过程中不对现有的结构产生任何调整，或者尽量少的调整，包括现有的每台服务器、交换机、以及每条布线。DCell和BCube这两种互联结构每扩展一层会导致每台服务器额外增加一个网络适配器端口，并且要在所有服务器上增加新的物理连线，各类应用因此而受影响。尽管每台服务器额外增加一个网络适配器端口的硬件成本并不很高，但是要为几万甚至几十万台服务器逐一新增一个网络适配器端口和一条物理连线所耗费的人力和时间成本非常昂贵。此外，这项工作的操作非常复杂，极易出现不易排除的物理布线错误。

综合考虑，应该为数据中心的服务器配备固定数目的网络适配器端口，避免在投入使用之后因数据中心规模扩展而不断扩充网络适配器端口造成的诸多不良后果。从进一步降低硬件和配线的成本的角度考虑，最好为每个服务器配备两个网络适配器端口。