【摘要】：隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等應(yīng)用的廣泛部署,數(shù)據(jù)中心的體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、工作模式、運(yùn)行環(huán)境和流量狀態(tài)發(fā)生了極大改變,具體包括:計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)融合的趨勢(shì)不斷增強(qiáng);單一數(shù)據(jù)中心的規(guī)模向數(shù)萬(wàn)甚至數(shù)十萬(wàn)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展;服務(wù)器經(jīng)常通過(guò)并行計(jì)算、分布式協(xié)作完成復(fù)雜任務(wù);服務(wù)器虛擬化和存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)廣泛部署;數(shù)據(jù)中心內(nèi)部流量已經(jīng)達(dá)到zetta(10~(21))字節(jié)。上述改變對(duì)數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)架構(gòu)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。尤其在云環(huán)境下,網(wǎng)絡(luò)作為連接所有計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源的橋梁,承擔(dān)著分布式任務(wù)協(xié)同、東西向流量傳輸和虛擬技術(shù)支撐等工作,其性能對(duì)數(shù)據(jù)中心整體系統(tǒng)的應(yīng)用執(zhí)行效率和工作完成時(shí)間有重要影響。為解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)核心層鏈路擁塞、擴(kuò)展性不足、靈活性受限、成本較高的問(wèn)題,研究人員提出了新的網(wǎng)絡(luò)互連架構(gòu),包括:fat tree,VL2,BCube,DCell,FiConn,CamCube等,盡管這些互連方案能夠有效改善網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延、吞吐性能,但這些收益均以增加互連線路和交換設(shè)備為代價(jià),因此上述方案同時(shí)帶來(lái)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、線纜開銷巨大、設(shè)備數(shù)量過(guò)多、網(wǎng)絡(luò)能耗難以優(yōu)化等問(wèn)題。與電互連技術(shù)相比,光互連技術(shù)具有高帶寬、低時(shí)延、低能耗、透明傳輸?shù)忍攸c(diǎn),能夠滿足應(yīng)用對(duì)傳輸帶寬、設(shè)備能耗、通信時(shí)延和安全性的要求,因此成為研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)。但由于現(xiàn)有多數(shù)光互連網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)直接移植電信網(wǎng)的交換技術(shù)、節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)和互連方式,因此存在一些缺陷,具體在節(jié)點(diǎn)層面,現(xiàn)有的交換節(jié)點(diǎn)或存在開關(guān)時(shí)延較長(zhǎng)、信息操作粒度過(guò)粗的問(wèn)題,或存在端口數(shù)目受限、元件開銷較大的問(wèn)題。在網(wǎng)絡(luò)層面,現(xiàn)有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在擴(kuò)展規(guī)模較小、網(wǎng)絡(luò)連通性有限的問(wèn)題。在控制層面,現(xiàn)有設(shè)計(jì)存在調(diào)度算法復(fù)雜、控制時(shí)延較高的問(wèn)題。上述問(wèn)題影響了光網(wǎng)絡(luò)的性能,使光互連架構(gòu)只能作為輔助網(wǎng)絡(luò)部署在核心層,大部分流量仍通過(guò)電交換設(shè)備處理,數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的能耗、設(shè)備開銷和線纜問(wèn)題未得到真正解決。對(duì)此,本論文展開對(duì)數(shù)據(jù)中心高性能光互連網(wǎng)絡(luò)的研究,通過(guò)設(shè)計(jì)新的互連拓?fù)�、�?jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)、通信方法,解決現(xiàn)有方案中的容量問(wèn)題、阻塞問(wèn)題、擴(kuò)展問(wèn)題和控制時(shí)延問(wèn)題。論文的主要工作及研究成果如下:⑴對(duì)數(shù)據(jù)中心光互連技術(shù)的最新研究進(jìn)展進(jìn)行了較全面的綜述,從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、交換節(jié)點(diǎn)、交換機(jī)制、基于SDN的光互連技術(shù)、其他研究問(wèn)題等五個(gè)方面對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了整理和歸納。重點(diǎn)對(duì)光互連網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行了分析研究,介紹了現(xiàn)有光電混合網(wǎng)絡(luò)、集中式全光網(wǎng)絡(luò)和分布式全光網(wǎng)絡(luò),從交換技術(shù)、擴(kuò)展性、技術(shù)可行性、設(shè)備開銷等方面對(duì)上述經(jīng)典方案進(jìn)行了綜合對(duì)比�？偨Y(jié)現(xiàn)有光互連網(wǎng)絡(luò)的不足,提出結(jié)合硅光技術(shù)最新進(jìn)展設(shè)計(jì)分布式互連架構(gòu)的改進(jìn)思路。⑵針對(duì)傳統(tǒng)光電路交換網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性不足、阻塞率較高、全局流量狀態(tài)獲取困難的問(wèn)題,論文提出基于同構(gòu)拓?fù)涞墓怆娀旌匣ミB架構(gòu),通過(guò)使用基于folded-Clos的多級(jí)互連結(jié)構(gòu),將位于核心層的光網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展至匯聚層,更多的流量可以通過(guò)高帶寬、低能耗的光電路傳輸。該架構(gòu)設(shè)計(jì)了分布式控制協(xié)議以完成多跳光連接的建立,同時(shí)利用多波長(zhǎng)技術(shù)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的連通性。為充分利用并行的傳輸路徑和波長(zhǎng)信道,架構(gòu)提出了基于反向建鏈的光電路交換策略。最后的仿真結(jié)果表明:在混合流量模式下,該架構(gòu)與純電分組網(wǎng)絡(luò)相比,其飽和點(diǎn)和最大吞吐至少增加了1.96倍。⑶針對(duì)快速光電路交換對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)度和處理時(shí)延的要求,結(jié)合電路交換和分組交換的不同特征,提出了基于異構(gòu)拓?fù)涞墓怆娀旌匣ミB架構(gòu)THOR。通過(guò)為該混合網(wǎng)絡(luò)的光互連和電互連部分設(shè)計(jì)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),充分適配兩種交換技術(shù)的不同特點(diǎn)。通過(guò)使用更具擴(kuò)展性的超立方拓?fù)?THOR可以為數(shù)萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器直接提供端到端的光連接,這有效降低的網(wǎng)絡(luò)的能耗和緩存開銷。THOR設(shè)計(jì)了分布式控制系統(tǒng)以支持快速光電路交換技術(shù),進(jìn)一步通過(guò)將該系統(tǒng)集成到電互連部分縮減了網(wǎng)絡(luò)成本和線纜。為支持基于多波長(zhǎng)和多跳的光電路交換,THOR結(jié)合異質(zhì)光交換單元設(shè)計(jì)了新的交換節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu),該節(jié)點(diǎn)能夠以集約、經(jīng)濟(jì)的方式實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)域和空域的信息交換�；诰W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜徒粨Q節(jié)點(diǎn),THOR設(shè)計(jì)了路徑共享的通信策略降低網(wǎng)絡(luò)阻塞。最后的仿真結(jié)果表明:在實(shí)際流量下,THOR能夠達(dá)到無(wú)阻塞交換網(wǎng)絡(luò)90%的容量,同時(shí)能夠極大改善鼠流和象流的流完成時(shí)間。另外,通過(guò)提供服務(wù)器級(jí)的光連接,THOR與fat tree和傳統(tǒng)光電混合網(wǎng)絡(luò)相比分別降低了53%和23%的能耗。⑷針對(duì)光分組交換網(wǎng)絡(luò)中緩存實(shí)現(xiàn)成本高、可靠性難以保證的問(wèn)題,提出了基于多跳的NACK(Negative Acknowledgement)機(jī)制。該機(jī)制利用光器件雙向傳輸特性和資源保留策略構(gòu)建了多跳的反饋信道,進(jìn)一步通過(guò)在沖突節(jié)點(diǎn)回傳NACK分組實(shí)現(xiàn)了在無(wú)緩存光網(wǎng)絡(luò)中可靠的信息傳輸。基于該策略,設(shè)計(jì)了面向數(shù)據(jù)中心的大規(guī)模全光互連網(wǎng)絡(luò)PetaScale。結(jié)合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?PetaScale提出了多波長(zhǎng)通信策略以降低網(wǎng)絡(luò)阻塞并優(yōu)化光鏈路利用效率。為支持所提出的無(wú)緩存多波長(zhǎng)光分組交換,PetaScale設(shè)計(jì)了新的交換機(jī)結(jié)構(gòu)。最后與fat tree和H-LION網(wǎng)絡(luò)的仿真對(duì)比表明,在均勻流量模式下,PetaScale的時(shí)延吞吐性能優(yōu)于H-LION,達(dá)到fat tree網(wǎng)絡(luò)的82.4%。在局部流量模式下,PetaScale的性能同時(shí)由于兩種對(duì)比網(wǎng)絡(luò)。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP308
【圖文】：

(b)大規(guī)模超立方光網(wǎng)絡(luò)的阻塞率圖3.22基于超立方拓?fù)涔饩W(wǎng)絡(luò)的阻塞率測(cè)試我們使用基于 C 語(yǔ)言的仿真代碼測(cè)試了在不同規(guī)模和不同路由算法下，超絡(luò)的平均阻塞概率。仿真對(duì)比了四種配置：①ecube_without_wave：網(wǎng)絡(luò)使Cube 路由算法的單波長(zhǎng)通信；②SBT_without_wave：網(wǎng)絡(luò)使用基于 SBT 路長(zhǎng)通信；③ecube_with_wave：網(wǎng)絡(luò)使用基于 ECube 路由的多波長(zhǎng)（80 個(gè)；④SBT_with_wave：網(wǎng)絡(luò)使用基于 SBT 路由的多波長(zhǎng)（80 個(gè)波長(zhǎng)）通信試的結(jié)果如圖 3.22 所示，可以看到超立方光網(wǎng)絡(luò)的平均阻塞率隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模降低，這是一個(gè)合理的仿真結(jié)果，根據(jù)文獻(xiàn)[162]，隨著維度 n 值的增加，撲能夠?yàn)?2nn 對(duì)連接提供無(wú)阻塞通信路徑，這種性質(zhì)說(shuō)明隨著網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展能夠提供更好的連通性保證網(wǎng)絡(luò)性能。在網(wǎng)絡(luò)使用單波長(zhǎng)通信時(shí)，ECube 路 具有相似的阻塞率，這主要因?yàn)閮烧叨际亲疃搪窂铰酚伤惴�，因此在超立方夠提供相似�?shù)目的邊不相交路徑。多波長(zhǎng)的引入明顯降低了阻塞率。與單波基于 ECube 路由的多波長(zhǎng)通信縮減了 84%~39%的阻塞率，基于 SBT 路由的

本文編號(hào)：2753526