專利名稱：數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡系統(tǒng)的路由方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種路由方法，具體為一種數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡系統(tǒng)的路由方法。
背景技術：
數(shù)據(jù)中心是企業(yè)各種應用服務的提供中心，是數(shù)據(jù)運算、交換和存儲的中心。它結(jié)合了先進的網(wǎng)絡技術和存儲技術，承載了網(wǎng)絡中80%以上的服務請求和數(shù)據(jù)存儲量，為客戶業(yè)務體系的健康運轉(zhuǎn)提供服務和運行平臺。數(shù)據(jù)中心最早出現(xiàn)在20世紀60年代初。隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速建設和信息技術的迅猛發(fā)展，到20世紀90年代中后期，數(shù)據(jù)中心進入了蓬勃發(fā)展期，建設規(guī)模和服務器數(shù)量每年都以驚人的速度增長?；ヂ?lián)網(wǎng)技術的蓬勃發(fā)展掀起了建設數(shù)據(jù)中心的高潮，不但政府機構(gòu)和金融電信等大型企業(yè)擴建自己的數(shù)據(jù)中心，中小企業(yè)也紛紛構(gòu)建數(shù)據(jù)中心。自2006年 Google公司提出云計算以來，在亞馬遜、微軟、雅虎、IBM等IT公司的大力推動下，云計算技術得到長足發(fā)展，美國、韓國、日本政府都宣布了國家云計算發(fā)展戰(zhàn)略。云計算的發(fā)展進一步帶動數(shù)據(jù)中心的迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡規(guī)模不斷擴大，目前一個大型數(shù)據(jù)中心可能包含數(shù)萬臺服務器。隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的日益擴大，數(shù)據(jù)中心容納的服務器數(shù)量也越來越多，因此需要巨大的上層網(wǎng)絡帶寬支持。數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的典型拓撲結(jié)構(gòu)是由路由和交換單元組成的類似樹形的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，其上層網(wǎng)絡為了支持大量的帶寬需求不得不采用昂貴的專用設備。問題是，即使采用最高端的IP交換機或路由器，核心層也是只能支持到50%的邊緣網(wǎng)絡匯集的帶寬，而且需要巨大的費用開銷。因此樹形拓撲結(jié)構(gòu)不可避免地會在上層核心網(wǎng)絡產(chǎn)生通信瓶頸，從而導致網(wǎng)絡在傳輸延遲、傳輸效率等方面整體性能的下降。另外，在數(shù)據(jù)中心， 這種非對稱的網(wǎng)絡帶寬還會為應用設計帶來復雜性。為了解決上層核心網(wǎng)絡帶寬不足帶來的通信瓶頸問題，目前通過檢索到的方法來看，一般采用Clos網(wǎng)絡或者胖樹(Fat Tree)拓撲組成無阻塞網(wǎng)絡，并根據(jù)拓撲結(jié)構(gòu)的特點，提出相應的路由/交換方法，比如i^at Tree結(jié)構(gòu)、Clos網(wǎng)絡、多分支胖樹網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。 另外，還有些方法利用服務器的多網(wǎng)卡技術，把服務器同時連接到多個交換機/路由器上， 從而增加服務器之間的連接數(shù)量，來解決上層核心網(wǎng)絡帶寬不足的問題。這些方法和傳統(tǒng)的樹形結(jié)構(gòu)相比，具有較高的二分帶寬(bisection bandwidth)，并且每一層路由/交換設備的超額訂購(Oversubscription)比例都可以達到1 1，因此可以有效消除頂層帶寬不足帶來的網(wǎng)絡瓶頸問題。上述網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)雖然解決了構(gòu)建大規(guī)模數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的上層帶寬瓶頸問題，但仍然存在如下缺點(1)由于其拓撲結(jié)構(gòu)的限制，網(wǎng)絡流量的超額訂購(Oversubscription)比例很難按照實際需求進行靈活的調(diào)整，網(wǎng)絡配置的靈活性差；(2)其網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)比較復雜，設備編址需要遵循嚴格復雜的規(guī)則，設備端口之間按照嚴格的順序進行連接，這些問題導致數(shù)據(jù)中心在網(wǎng)絡布線和設備部署方面比較繁瑣，運行過程中網(wǎng)絡維護也會相對比較困難；(3)由于拓撲結(jié)構(gòu)復雜，導致其路由算法也相對比較復雜；(4)在構(gòu)建規(guī)模較小的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡時，會存在端口空余浪費的情況，網(wǎng)絡伸縮性較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡系統(tǒng)的 路由方法，該數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡系統(tǒng)采用的是稱為交換式矩陣的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。該方法可以充分發(fā)揮交換式矩陣網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的特點和優(yōu)勢，解決數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡中的通信瓶頸問題。在該路由方法中，構(gòu)建路由表只需要網(wǎng)絡設備交換很少量信息，構(gòu)建方法簡單易行，所構(gòu)建的路由表規(guī)模小，路由速度快。此外，該路由方法可以充分利用源和目的節(jié)點之間的多條并行鏈路實現(xiàn)無阻塞路由和負載均衡。實現(xiàn)本發(fā)明中的路由方法所基于的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡系統(tǒng)包括交換機和服務器兩類設備，所述交換機包括行首交換機、列首交換機和呈矩陣排列的接入交換機，矩陣的每行行首至少部署一個行首交換機，每列列首至少部署一個列首交換機，服務器與接入交換機相連接，每個接入交換機與其所在行的所有行首交換機及其所在列的所有列首交換機相連接，任意行首交換機和列首交換機之間、以及各接入交換機之間不直接相連。在該網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中，交換機和服務器采用內(nèi)部網(wǎng)絡IP地址，并按照如下規(guī)則進行編址行首交換機的IP地址配置為10. Row. 0. X ；列首交換機的IP地址配置為10. 0. Col. X ；接入交換機的IP地址配置為10. Row. Col. 1 ；服務器的IP地址配置為10. Row. Col. X。其中Row為交換機或服務器所在行的行號，Col為交換機或服務器所在列的列號；對于行首/列首交換機，0 255， 對于服務器，KX^ 255。所有設備的子網(wǎng)掩碼設為255. 255. 255. 0。本發(fā)明中的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡系統(tǒng)的路由方法為同一子網(wǎng)的服務器之間通過與其相連接的接入交換機進行通信，不同子網(wǎng)的同行的服務器之間通過與其相連接的接入交換機和位于該行的行首交換機進行通信，同列的服務器之間通過與其相連接的接入交換機和位于該列的列首交換機進行通信，不同行列的服務器之間通過接入交換機、行首交換機和列首交換機進行通信。同一行內(nèi)的服務器A和服務器B進行通信時，服務器A先和與其相連接的接入交換機A進行通信，接入交換機A再通過位于該行的行首交換機與和服務器B相連接的接入交換機B進行通信，接入交換機B再與服務器B進行通信。 同一列內(nèi)的服務器A和服務器B進行通信時，服務器A先和與其相連接的接入交換機A進行通信，接入交換機A再通過位于該列的列首交換機和與服務器B相連接的接入交換機B進行通信，接入交換機B再與服務器B進行通信。位于不同行列的服務器A和服務器B進行通信時，服務器A先和與其相連接的接入交換機A進行通信，接入交換機A再通過與其同行的行首交換機與位于該行的且與服務器B同列的接入交換機Cl進行通信，接入交換機Cl再通過其所在列的列首交換機和與服務器B相連接的接入交換機B進行通信，接入交換器B再與服務器B進行通信。位于不同行列的服務器A和服務器B進行通信時，服務器A先和與其相連接的接入交換機A進行通信，接入交換機A再通過與其同列的列首交換機與位于該列的且與服務器B同行的接入交換機C2進行通信，接入交換機C2再通過其所在行的行首交換機和與服務器B相連接的接入交換機B進行通信，接入交換器B再與服務器B進行通信。與現(xiàn)有路由方法相比，本發(fā)明充分發(fā)揮了交換式矩陣網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的特點和優(yōu)勢，具有以下優(yōu)點
1)相鄰交換機之間只需要定期交換本機的IP和MAC地址信息就可以建立構(gòu)造出路由表，交換的數(shù)據(jù)量非常少。2)路由表的構(gòu)造方法非常簡單，構(gòu)造速度快，對鏈路失效的反應速度快，不存在路由收斂問題。3)路由表規(guī)模小，路由速度快，可以通過硬件設備利用交換技術實現(xiàn)路由。4)網(wǎng)絡可靠性高，任意兩個終端之間存在多條等價路徑，本路由算法支持等價多路徑路由ECMP(Equal-Cost Multipath Routing)技術，具備負載均衡能力。


圖1為由6個端口的交換機組成的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡系統(tǒng)。
具體實施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的說明。本發(fā)明提供的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡系統(tǒng)中，網(wǎng)絡采用規(guī)則化的拓撲結(jié)構(gòu)(交換式矩陣拓撲)，并按照一定的規(guī)則進行編址。數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡系統(tǒng)由一組行首交換機10. Row. 0. X、 列首交換機10. 0. Col. X、接入交換機10. Row. Col. 1和連接到接入交換機上的各種服務器 10. Row. Col. X構(gòu)成。其中Row為交換機或服務器所在行的行號，Col為交換機或服務器所在列的列號；對于行首/列首交換機，0 < X < 255，對于服務器，KX^ 255。所有設備的子網(wǎng)掩碼均設為255. 255. 255. 0。服務器之間通信通過接入交換機、行首交換機和列首交換機的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能完成。行首交換機負責把本行的所有接入交換機連接在一起，列首交換機負責把本列的所有接入交換機連接到一起。每一個接入交換機同時連接到所在行的所有行首交換機和所在列的所有列首交換機上面，行首交換機和列首交換機之間、各接入交換機之間沒有直接的連接關系。每個服務器都連接到一個接入交換機上。為了完成路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，在每個行首/ 列首交換機和接入交換機上都維護一張路由表，數(shù)據(jù)分組根據(jù)路由表進行轉(zhuǎn)發(fā)。相連的交換機通過互相交換信息(包括本機IP地址和MAC地址)學習之間的連接關系，并根據(jù)連接關系生成路由表。1、交換式矩陣拓撲結(jié)構(gòu)本實施例中，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡系統(tǒng)由交換機和服務器兩類 設備組成。交換機設備提供二層(鏈路層)和三層(網(wǎng)絡層)網(wǎng)絡交換功能，服務器設備提供數(shù)據(jù)運算和存儲服務。 其中交換機又分為三種類型，稱為行首交換機、列首交換機和接入交換機。行首交換機和列首交換機屬于網(wǎng)絡核心層，具有三層交換/路由能力，負責把接入交換機連接在一起；接入交換機屬于網(wǎng)絡接入層，具有二層交換和三層交換/路由能力，負責把服務器接入到網(wǎng)絡中。本實施例中的行首交換機、列首交換機和接入交換機都可以采用高性價比的普通交換機。行首交換機、列首交換機和接入交換機連接在一起構(gòu)成了交換式矩陣拓撲結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提出的交換式矩陣拓撲結(jié)構(gòu)要求行首交換機、列首交換機和接入交換機的參與交換/路由的端口數(shù)(活動端口數(shù))最好相同，設端口數(shù)為N(N> 3)。接入交換機的端口分為三部分，其中第一部分端口用來連接服務器，第二部分端口連接行首交換機，剩下的一部分端口用來連接列首交換機。完整的拓撲結(jié)構(gòu)總共有N行XN列個接入交換機，每一行的行首部署多個行首交換機，每一列的列首部署多個列首交換機。任一個接入交換機需要連接其所在行和列的全部行首交換機和列首交換機。本發(fā)明允許服務器和接入交換機之間、接入交換機和所在行首/列首交換機之間通過任意端口進行連接。每一個接入交換機和所在行的每個行首交換機之間都有一條單獨的連接，和所在列的每個列首交換機也都有一條單獨的連接。圖1是一個交換機的端口數(shù)N = 6的交換式矩陣的例子，為清晰起見， 圖中沒有畫出服務器，并且在圖中用一條虛橫線表示一行內(nèi)的所有接入交換機和該行的所有行首交換機之間的連接，用一條虛豎線表示一列內(nèi)的所有接入交換機和該列的所有列首交換機之間的連接。 接入交換機的端口分配比例可以根據(jù)實際需要進行分配，典型分法是把端口分成 3等份，1/3的端口用于連接行首交換機，1/3的端口用于連接列首交換機，剩下1/3的端口用于連接服務器設備。這樣每行的行首交換機和每列的列首交換機數(shù)量為N/3。這種配置方式可以保證每層設備的超額訂購比例達到1 1。如果需要行首交換機或列首交換機參與轉(zhuǎn)發(fā)的通信量不是很多，也可以根據(jù)需要適當減少行首交換機和列首交換機的數(shù)量，從而降低建網(wǎng)成本。比如把接入交換機的1/2端口分配給服務器，1/4的端口連接行首交換機，剩下1/4的端口用于連接列首交換機。這樣每行的行首交換機和每列的列首交換機數(shù)量可以減少到N/4。這種情況下，行首/列首交換機的超額訂購比例為1 2。上面描述的是一個完整的交換式矩陣拓撲。在某些情況下，可以針對實際需要對網(wǎng)絡拓撲進行調(diào)整。比如對于網(wǎng)絡規(guī)模較小，服務器數(shù)量不多的數(shù)據(jù)中心，也可以構(gòu)建不完全的交換式矩陣網(wǎng)絡。完整的交換式矩陣網(wǎng)絡擁有N行XN列個接入交換機，如果服務器的數(shù)量達不到N3/3，可以按照自右向左，自下向上的順序減少接入交換機的數(shù)量。對于不完整的行或列，可以相應地按照比例減少行首或列首交換機的數(shù)量。行首/列首交換機上的多余空閑端口通過端口匯聚(Trunk)技術合并到其他端口上。比如交換機的端口數(shù)為12， 則可以構(gòu)成最大為12行*12列的網(wǎng)絡拓撲。每行的行首交換機和列首交換機的數(shù)量均為 12/3 = 4個。如果是不完全的拓撲結(jié)構(gòu)，比如只有6行*12列的接入交換機，則列首交換機的數(shù)量即可減少一半，為2個。此時列首交換機的連接方案為首先每個列首交換機用6 個端口連接本列內(nèi)的6個接入交換機，然后剩下的端口按照順序逐次平均地匯聚到這些端口上。2、網(wǎng)絡編址方案本數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡系統(tǒng)內(nèi)的各種交換機和服務器采用內(nèi)部網(wǎng)絡IP地址10. Χ. Χ.Χ(0
<X ^ 255)進行編址，需要和外部網(wǎng)絡通信時采用網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換(NAT)技術轉(zhuǎn)換成外部網(wǎng)絡地址。行首交換機的IP地址配置為10. Row. 0. X，其中Row為行首交換機所在的行號，0 <Row^N,0<X^ 255，在這個規(guī)定范圍內(nèi)，行首交換機的地址可以任意配置(X可以任意指定)O列首交換機的IP地址配置為10. 0. Col. X，其中Col為列首交換機所在的列號，0
<Col <N，0255，在這個規(guī)定范圍內(nèi)，列首交換機的地址可以任意配置(X可以任意指定)O接入交換機的IP地址配置為10. Row. Col. 1，其中Row為接入交換機所在的行號，Col為接入交換機所在的列號，O < Row彡N，O < Col彡N。服務器的IP地址配置為10. Row. Col. X，其中Row為該服務器所在的行號，Col為該服務器所在的列號，O < Row彡N，O < Col < N，1 < X彡255，在這個規(guī)定范圍內(nèi)，服務器的地址可以任意配置(X可以任意指定)。在上面的編址方案中，我們可以根據(jù)設備的IP地址區(qū)分出其設備類型，以及該設備在網(wǎng)絡中所處的位置，這有助于確定設備連接關系，簡化路由方案。根據(jù)編址方案和設備連接關系，可以看出每一個接入交換機和其連接的全部服務器構(gòu)成一個物理子網(wǎng)，子網(wǎng)掩碼為255. 255. 255. O。同一行的行首交換機或同一列的列首交換機雖然其網(wǎng)絡地址前綴相同，但是沒有直接連接關系。3、路由方法在本實施例提出的交換式矩陣網(wǎng)絡中，行和列是一個對稱的結(jié)構(gòu)，因此，不同行列內(nèi)的服務器之間進行通信，可以先經(jīng)過行首交換機再經(jīng)過列首交換機，或者先經(jīng)過列首交換機再經(jīng)過行首交換機，比如有一臺設備10. 2. 2. X和10. 4. 4. X通信，先經(jīng)過列首交換機的路徑如下10. 2· 2· X — 10. 2. 2. 1 — 10. 0. 2· X — 10. 4. 2. 1 — 10. 4. 0. X — 10. 4. 4. 1 — 10. 4. 4.
X先經(jīng)過行首交換機的路徑如下
權利要求
1.一種數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡系統(tǒng)的路由方法，其特征在于同一子網(wǎng)的服務器之間通過與其相連接的接入交換機進行通信，不同子網(wǎng)的同行的服務器之間通過與其相連接的接入交換機和位于該行的行首交換機進行通信，同列的服務器之間通過與其相連接的接入交換機和位于該列的列首交換機進行通信，不同行列的服務器之間通過接入交換機、行首交換機和列首交換機進行通信。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡系統(tǒng)的路由方法，其特征在于，同一行內(nèi)的服務器A和服務器B進行通信時，服務器A先和與其相連接的接入交換機A進行通信，接入交換機A再通過位于該行的行首交換機與和服務器B相連接的接入交換機B進行通信， 接入交換機B再與服務器B進行通信。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡系統(tǒng)的路由方法，其特征在于，同一列內(nèi)的服務器A和服務器B進行通信時，服務器A先和與其相連接的接入交換機A進行通信，接入交換機A再通過位于該列的列首交換機和與服務器B相連接的接入交換機B進行通信， 接入交換機B再與服務器B進行通信。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡系統(tǒng)的路由方法，其特征在于，位于不同行列的服務器A和服務器B進行通信時，服務器A先和與其相連接的接入交換機A進行通信，接入交換機A再通過與其同行的行首交換機與位于該行的且與服務器B同列的接入交換機Cl進行通信，接入交換機Cl再通過其所在列的列首交換機和與服務器B相連接的接入交換機B進行通信，接入交換器B再與服務器B進行通信。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡系統(tǒng)的路由方法，其特征在于，位于不同行列的服務器A和服務器B進行通信時，服務器A先和與其相連接的接入交換機A進行通信，接入交換機A再通過與其同列的列首交換機與位于該列的且與服務器B同行的接入交換機C2進行通信，接入交換機C2再通過其所在行的行首交換機和與服務器B相連接的接入交換機B進行通信，接入交換器B再與服務器B進行通信。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡系統(tǒng)的路由方法。該數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡系統(tǒng)包括行首交換機、列首交換機和呈矩陣排列的接入交換機，每行的行首至少部署一個行首交換機，每列的列首至少部署一個列首交換機，服務器與接入交換機相連接，接入交換機與其所在行的所有行首交換機及其所在列的所有列首交換機相連接。在本發(fā)明中，同一子網(wǎng)的服務器之間通過與其相連接的接入交換機進行通信，不同子網(wǎng)的服務器之間需要通過接入交換機、行首交換機和列首交換機進行通信。本發(fā)明采用的路由方法更為簡單、高效，便于通過硬件實現(xiàn)，路由速度快。
文檔編號H04L12/56GK102185772SQ20111011579
公開日2011年9月14日 申請日期2011年5月5日 優(yōu)先權日2011年5月5日
發(fā)明者劉強, 劉真, 孫延濤, 方維維 申請人:北京交通大學