数据中心网络拓扑结构研究.docx

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数据中心网络拓扑结构研究

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万海涛

摘要：该文分析了数据中心网络与传统网络的区别，提出了适用于数据中心的网络拓扑结构，研究了不同拓扑结构的技术特点，并分析各类型网络拓扑的优缺点，进行了综合对比。

关键词：数据中心；网络拓扑；性能

：TP311：A：1009-3044（2016）21-0043-03

1概述

随着华东空管局管理水平的提升和信息化应用不断深入，对信息系统建设提出了更高的要求。目前应用系统基本上都是各自规划、分散建设、独立运行的，形成了一个个封闭的“孤岛”，不利于统一管理和运维，更不利于信息共享和交互，而且也极大地影响了总体投资效益。为此，华东空管局从实际情况出发，着手建设华东空管局数据中心。相同情况出现在总局空管局、西南空管局、西北空管局等地，为了降低管理难度及运营开销，增强信息共享，多个空管单位都提出了数据中心的建设需求。

数据中心已成为空管IT建设的重点项目，因此在空管大举建设数据中心时，研究数据中心相关技术，合理规划数据中心建设，将具有积极意义。

2数据中心网络需求

由于数据中心汇聚了大量业务，因此对数据中心网络提出了更高的需求，数据中心网络的性能将直接影响数据中心运行的效果。较之传统网络，数据中心网络对以下几个方面的要求更高：

1）网络可拓展性

随着数据中心业务增长，数据中心的规模将不断扩大，因此要求网络能容纳较多地路由器和交换机，且拓展方便，设备的添加不能影响现有服务性能。

2）网络容错性

数据中心网络拓扑要求保证不同节点之间有多条并行的路径，减少链路单点故障，使网络具有较好的容错性能，保证服务质量。

3）网络带宽

数据中心由于业务数据传输量巨大，所以要求网络具有很高的对分带宽，满足业务的高吞吐传输需求；另外，当有大量突发业务时，网络需要自动实现业务分流。

4）设备开销

数据中心网络规模庞大，因此，构建数据中心需充分考虑成本问题。

5）管理复杂度

数据中心设备众多，业务集中，因此数据中心网络应便于管理及维护，减少人为操作风险。

数据中心网络拓扑结构对网络性能具有决定作用，本文研究了不同拓扑结构的技术特点，并分析各类型网络拓扑的优缺点。

3数据中心拓扑结构

目前，关于数据中心网络拓扑结构的研究主要分为两类：以网络设备为中心的拓扑结构和以服务器为中心的拓扑结构。在以网络设备为中心的拓扑结构中，网络流量路由和转发全部是由交换机或路由器完成的。在服务器为中心的拓扑结构中，采用递归方式构建网络拓扑，服务器不仅是计算单元，还是路由节点，因此会主动参与分组转发。

目前，数据中心以网络设备为中心的拓扑结构主要有：树型拓扑、胖树拓扑、VL2拓扑等；以服务器为中心的拓扑结构有DCell拓扑、FiCoon拓扑、Bcube拓扑等。本文将选取几种主流拓扑结构进行研究：

1）树型拓扑

树型拓扑是较早用于构建数据中心的网络拓扑，该拓扑是一种多根树形结构，属于以网络为中心的拓扑结构，网络分为核心层、汇接层、接入层三层，网络底层采用商用交换设备与服务器相连，网络高层则是采用高性能、高速率、高容量的交换设备。

2）胖树拓扑

胖树拓扑是对树形结构的一种典型改进，在胖树结构中，网络的拓扑仍旧分为三个层次，即核心层、汇接层、接入层。但与树型结构不同的是，胖树结构规定了一个中间节点可以拥有多个父节点，因此增加了上下层交换机之间以及汇聚层交换机与核心交换机之间的链路数量。另外，汇聚层和接入层的交换机被分为若干个不同的域，每个域中的不同层交换机设备之间可以实现全连接。胖树拓扑结构采用两张路由表进行两级路由，每台交换机具有固定的编码规则。

3）VL2拓扑

VL2拓扑结构是微软研究人员于2009年提出的，VL2利用虚拟技术对汇聚层进行虚拟化，来提供系统的拓展性。在对汇聚层进行虚拟化之后，所有的服务器将会类似存在于一个局域网一样，会大大提高网络的性能以及服务的效率。从物理上划分，整个VL2拓扑分为三层，最底层连接服务器的交换机称为ToRSwitch（机架顶端交换机）。机架顶端交换机通过不同的上行链路连接到AggregateSwitch（汇聚交换机）。汇聚交换机再通过上行链路与每一个IntermediateSwitch（中介交换机）相连。但从逻辑上划分，整个VL2拓扑分为两层，其中第一层由机架顶端交换机及与其相连的服务器构成一个服务器集群，第二层由汇聚交换机和中介交换机构成一个交换网络。

4）DCell拓扑

DCell拓扑是一种以服务器为中心的拓扑结构，在DCell结构中，服务器与交换机一样具有数据转发功能。DCell拓扑通过低端口小交换机与多端口服务器以递归方式构建大规模网络。在DCell拓扑结构中，存在两种链路连接方式，即服务器与服务器相连，交换机与服务器相连，不存在交换机之间互连的情况。