数据中心网络架构.ppt

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1、网络专题讲座课程计算机网络研究课题概览第 2 页1重大需求背景课题概览2核心制约因素云服务快速发展，迫切要求数据中心可超大规模扩展3可见技术途径 电交换器 交换架构 环境因素0123456789集中式数据中心骨干网络嵌入式数据中心嵌入网络组件优化分组单个光交换器不能解决问题 电交换器 交换架构 环境因素围绕：数据中心可超大规模扩展的迫切需求提出：骨干网络嵌入式数据中心全光交换架构解决：核心制约因素带来的问题实现：可超大规模扩展的整体方案光交换器：交换性能更难以保证突破限制：必须适应包交换模式分布式部署网络专题讲座课程计算机网络研究课题背景第 3 页云服务的发展及其与数据中心的关系网络建设：基础

2、设施建设 业务与应用开发网络功能：面向连接 面向内容与服务网络形态：IP层次结构 扁平化结构信息利用：刺激需求、改变方式、形成习惯 改变人类信息服务方式和内容 推动着网络功能和形态的演进应用与需求超级计算海量存储大数据处理网络搜索在线地图社交网络协同办公计算资源要求高技术与概念并行计算分布式计算网络技术快速发展基础设施即服务平台即服务软件即服务提供有力的支持云服务传统网络服务数据中心IDC最新研究报告： 1）2012年中国数据中心总量达510,530个 2）市场总规模达119.3亿美元 3）预测未来五年保持两位数增长 4 ) 2017年市场总规模达190.3亿美元网络专题讲座课程计算机网络研究

3、课题背景第 4 页数据中心多级交换结构数据中心：云服务的业务支撑平台Core交换器（或交换器网络）ToR（Top-of-Rack）交换器服务器数据中心典型结构示意图m -101Fat-Tree（胖树）交换网络Core（核心）交换器ToR交换器或汇集交换器nr -1n0n1 由多个服务器机架组成 通过交换网络交换数据网络专题讲座课程计算机网络研究课题背景第 5 页国内外研究现状网络专题讲座课程计算机网络研究课题背景技术可行性第 6 页 光通信和光交换技术的发展 优化理论及工具软件的发展 矩阵分解理论及图论的支持 云技术和数据中心工程积累网络专题讲座课程计算机网络研究课题背景第 7 页国内外研究现

4、状6系统容错与可生存性5节能设计与可扩展性4交换调度与性能保证3多级交换网络的结构2系统重配置开销问题1高速高性能光交换器研究的技术点存在的问题存在加速比的问题交换性能保证难现有算法不能应用于多级交换Core交换器数量受限制环境因素的限制底层快速恢复尚待研究网络专题讲座课程计算机网络研究课题背景第 8 页问题与挑战：可扩展性的制约因素1）放置场地2）电力供应3）系统冷却1）电子瓶颈2）连接复杂3）功耗过大传统Fat-Tree对Core交换器数量的限制科学问题一：可超大规模扩展的核心机制网络专题讲座课程计算机网络研究课题背景第 9 页问题与挑战：其他亟待解决的问题未受充分关注问题与挑战：其他亟待

5、解决的问题问题与挑战：其他亟待解决的问题未受充分关注问题与挑战：其他亟待解决的问题未受充分关注：底层部件故障快速恢复问题与挑战：其他亟待解决的问题1）重配置开销 2）无丢包 3）延时有界问题与挑战：其他亟待解决的问题电路交换？包交换？科学问题二：面向可靠云服务的交换性能保证及架构与资源优化网络专题讲座课程计算机网络研究研究内容第 10 页基本架构 组件分组优化 分布式嵌入 分布式程度可控 兼容当前数据中心 带宽扩展容易 利用骨干网可生存性技术数据中心分布式嵌入Optical network& Internet客户端部署在不同节点上的组件 骨干网络波分复用技术网络专题讲座课程计算机网络研究研究内

6、容主要研究内容及其相互关联性验证平台：全光交换器及基于Fat-Tree的exascale可扩展多级交换结构第 11 页骨干网络嵌入式数据中心超大规模全光交换架构交换调度方案研究高效调度算法研究折中设计数学建模交换网络成本优化光交换器故障恢复内部连接故障恢复网络嵌入架构优化云服务资源优化超大规模嵌入式数据中心交换网络可生存性设计面向云服务的数据中心交换架构与网络资源优化多级交换结构下性能保证的批量调度包交换数据包延时与Core交换器数量折中设计与成本优化网络专题讲座课程计算机网络研究研究内容第 12 页时间阶段累积13A+H2A+HA+HA传输4交换3调度2包延时上界=3A+H流水线技术ToR交

7、换器或汇集交换器m -101核心（Core）交换器nr -1n0n1Fat-Tree（胖树）多级交换结构下性能保证的批量调度包交换 交换调度方案研究1问题2内容Fat-Tree：电路交换 数据中心：包交换 将批量调度包交换引入Fat-Tree 保证延时有界网络专题讲座课程计算机网络研究研究内容第 13 页阶段累积1交换有效期重配置开销时间3A+H2A+HA+HA传输4交换3调度2包延时上界=3A+H流水线技术ToR交换器或汇集交换器m -101核心（Core）交换器nr -1n0n1Fat-Tree（胖树）多级交换结构下性能保证的批量调度包交换 高效调度算法研究1问题提高调度效率2内容 流量矩

8、阵高效分解 保证无丢包网络专题讲座课程计算机网络研究研究内容第 14 页数据包延时与Core交换器数量折中设计与成本优化 折中设计数学建模 摆脱Fat-Tree对Core交换器数量的约束1目标 多路径并行交换 Core交换器数量 1/延时2机制m -101nr -1n0n1Fat-Tree（胖树）交换配置矩阵多路径并行交换网络专题讲座课程计算机网络研究研究内容第 15 页数据包延时与Core交换器数量折中设计与成本优化 交换网络成本优化最小化交换网络成本1问题极值点分析2途径3内容 硬件成本最优化： Minimize Core交换器数量给定延时要求 综合成本最优化：延时折算为代价Minimiz

9、e Core交换器数量 + 折算因子 * 延时网络专题讲座课程计算机网络研究研究内容第 16 页超大规模嵌入式数据中心交换网络可生存性设计 光交换器故障恢复数据流延时缓存量汇集交换器核心光交换器Fat-Tree1机制软切换保护 无需增加硬件 始终保证交换性能 灵活、低成本 抗多个交换器故障2特点?网络专题讲座课程计算机网络研究研究内容第 17 页超大规模嵌入式数据中心交换网络可生存性设计 内部连接故障恢复快速保护方案联合优化 故障快速检测 m-trail、m-cycle链路快速保护 p-cycle，CFP传统光网络：其他设计要素网络专题讲座课程计算机网络研究研究内容面向云服务的数据中心交换架构

10、与网络资源优化 网络嵌入架构优化网络嵌入架构优化2目标 满足全网服务需求 网络嵌入代价最小1场景一个数据中心嵌入骨干网络性能保证 折中设计 可生存性联合优化组件划分嵌入网络哪些机架同组？组件规模大小？划分多少组件？选取多少节点？组件节点匹配？放在那个片区？第 18 页骨干网络拓扑结构用户云的服务需求可扩展性代价函数网络嵌入代价因子控制组件分布式程度控制组件规模大小网络专题讲座课程计算机网络研究研究内容第 19 页面向云服务的数据中心交换架构与网络资源优化 云服务资源优化P-cycleAny-cast数据中心个数？路由保护方案？备份容量大小？服务容量大小？成本是否最低？位置如何配置？用户路由代价

11、（外部传输代价）2目标 可靠云服务的架构与资源优化1场景多个数据中心嵌入骨干网络 用户数据流量分布数据中心个数？路由保护方案？备份容量大小？服务容量大小？成本是否最低？位置如何配置？网络专题讲座课程计算机网络研究科学问题第 20 页拟解决的关键科学问题科学问题一：数据中心及其内部交换网络可超大规模扩展的核心机制科学问题二：面向可靠云服务的数据中心交换性能保证及架构与资源优化研究目标： 通过深入的理论研究、系统仿真与实验验证，提出一套高效节能、可超大规模扩展、交换性能保证、可生存性强、设计灵活、结构简化、成本最优的“骨干网络嵌入式数据中心”全光交换新架构，形成超大规模数据中心交换网络设计的一套全新的理论体系，并建立相应的设计模型、方法和算法库，为支持新型云应用的下一代高性能超大规模数据中心提供一套高效的整体解决方案。网络专题讲座课程计算机网络研究特色创新特色创新第 21 页超大规模数据中心及其交换架构 分布式嵌入骨干网络 利用波分复用简化连接 性能和分布式程度可控特色1）在Fat-Tree中引入批量调度包交换2）延时与Core交换器数量的折中设计3）灵活高效的交换网络可生存性设计4）面向云服务的嵌入架构和资源优化创新保证交换性能摆脱Core交换器数量限制抵抗底层部件故障面向云服务的整体架构优化“网络即数据中心”“网络即交换架构”融 合网络专题讲座课程计算机网络研究