[发明专利]构建数据中心交换网络的方法及节点装置

说明书

技术领域

本发明涉及网络与光交换技术领域，具体涉及一种构建数据中心交换网络的方法和节点装置。

背景技术

数据中心内的交换网络主要任务是负责提供成千上万台服务器之间的任意互联。这种网络的首要特征是端口规模巨大，通常达到数千乃至数十万量级；其次是要求高吞吐量，以及尽可能低的端到端延时；此外还需要具备良好的扩展性，以支持未来更高速率和更大端口规模的扩展需求。

为了构建这样一个数据通信网络，现行最通用的方式是将分组交换设备级联起来，形成一个多层树状结构。如图1所示，其中ToR交换机(即架顶交换机，Top of Rack Switch)，直接与一个机架内的服务器相连接，提供机架内部的数据交换以及对外的出口；汇聚层交换机负责将多个ToR连到一起从而支持多个机架之间的数据交换；同理再向上层级联，核心交换机负责将多个汇聚层交换机连结到一起。有些数据中心还会把服务器机架分组封装到一个个集装箱内(称为Pod)，而大量Pod之间也同样需要类似的汇聚层、核心层交换机进行层级式扩展。虽然每个交换机的端口数目有限，但通过这样层层级联的方式就可以达到提升网络整体端口数量的目的。同时，为了增强网络的鲁棒性，往往各层交换机也要部署一定的冗余度。

针对这种数据中心交换网络，目前也存在一些变种，比如比较常见的是采用Fat-tree拓扑结构，相当于在图1的树形结构基础上再横向叠加多个树，各个树结构之间也有交叉互联，总体上形成一个较复杂的多根树。这种改进主要的目的是大幅增加网络的吞吐量，使得任意两组服务器之间具有更多可用的双向互联带宽，同时大量交换机和链路的引入也加强了网络抗故障能力。还有其他的变种例如DCell，BCube等等，这方案或多或少地抛弃了树形级联结构，而是直接让服务器支持更多的网络端口，搭建更复杂的拓扑从而获得更丰富的连通性，从而达到对端口规模或者总体吞吐量方面的改善。

总之，作为本发明的背景技术，现行的最通用的数据中心内部网络，无论是图1所示的最基本树形架构还是其他任何变种，本质上都可以归结为以下三个特征：第一，采用的电分组交换设备，例如以太网或IP层交换机；第二，物理结构上都需要将交换机或服务器进行层层级连，以支持较大端口规模；第三，从服务器角度看，网络的拓扑都是规则的、静态的。考虑到数据中心网络追求的目标是大规模可扩展、高吞吐量、低时延、低能耗等。现有的堆叠式扩展的电交换网络，在实现这几个目标方面都有一定问题。

在端口规模及扩展性方面，一般的商用交换机端口数目能达到几十个至数百个，再增加端口数量就会使得设备成本急剧提升，而为了满足数据中心内多达数十万量级的端口之间互联，只能通过设备级联并且增加树形级联的层数，以及搭建交换机的集群来扩大单个交换节点的端口数。这不可避免地导致网络建设成本过高，而且布线工程复杂，运营维护难度大，也不利于灵活扩展。

在吞吐量方面，为了满足大端口数量的同时支持每个端口更高的信号速率，目前用于数据中心的高端的电交换设备处理器芯片已经从工艺上日益接近极限，这种设备的价格及其昂贵，而且考虑到电子处理速率瓶颈，未来再提高性能的难度也非常之大。因此，现实中的数据中心网络通常并不支持所有服务器之间的全带宽交换，而是在图1所示树形架构中的每一层都引入一定过载率，从而网络不可能做到任意时刻任意两个服务器之间的全带宽数据传输。换言之，目前的数据中心网络往往为了权衡性能和成本，只能优先满足大规模而牺牲网络的吞吐量。

在数据交换时延方面，由于树形网络结构中距离较远的服务器之间的互联必定经过很多跳，每一跳的存储转发过程都引入一定时延，而且在网络拥塞的时候这种时延会更加恶化，导致整体上端到端时延不可控，大大影响上层应用性能。

在能耗方面，电交换设备支持的端口数越大，处理速度越高，则交换网络的整体能耗会相应地超线性增长，因为不但芯片本身的耗能增加，还附带着提高了通风散热和制冷方面的能耗。

因此，急需一种新的构建数据中心内的交换网络的方式。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种构建数据中心交换网络的方法和节点装置，能够使得构建的交换网络具备可大规模扩展、高吞吐量、低时延、低能耗。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种构建数据中心交换网络的方法，包括：

S1、根据预设的网络规模和应用需求，选取一个规则的多边形晶格物理拓扑；所述规则的多边形晶格物理拓扑上的每个点对应一个光交换节点，每条边对应一根或多根光纤；