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数据中心网络结构的研究

作　者: 谢佩博
导　师: 顾华玺
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 云计算数据中心面向连接互连网络 OPNET
分类号: TP393.02
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

传统的数据中心网络普遍使用三层树形结构，核心层和汇聚层使用价格昂贵的交换机或路由器来连接边缘层的交换机或路由器。随着数据中心网络规模的扩大，越来越多的服务器连接到这些交换机或路由器上，高过载率使得这些交换机和路由器很容易成为带宽的瓶颈。同时，缺乏灵活的路径多样性也使得树形结构在网络容错和容灾方面表现平平。减少数据中心网络层次，尽可能使数据中心网络扁平化在提高数据中心性能、降低数据中心部署和运维成本等方面有着得天独厚的优势。互连网络的研究在并行计算机和超级计算机领域获得了巨大成功，因此，本文重点研究如何将互连网络的网络设计方案应用到数据中心网络的构建中。本文首先对云计算的研究现状进行了总结，并列出了云计算背景下数据中心网络架构设计面临的新问题。接着对目前已有的数据中心网络扁平化架构解决方案进行了总结。然后在Mesh网络上构建了面向连接、虚拟分级的数据中心网络，并给出了旨在减小路由表大小的子网代理设计规则，分析了不同等级子网代理位置对数据中心网络无死锁和性能的影响，设计了高效的路由算法。在此基础上设计了Mesh-of-Torus混合互连架构的数据中心网络和相应的分级机制。在不使用虚信道的情况下，通过定义分组路由方向，设计了Mesh-of-Torus网络的负载均衡、无死锁、高效的路由算法。最后利用OPNET定义了服务器模型和链路模型完成了大规模分级Mesh-of-Torus网络结构数据中心的性能仿真和验证。结果表明，与使用虚拟分级机制的Mesh网络相比，我们提出的Mesh-of-Torus混合互连网络分级机制使得网络直径更小，时延更少，吞吐更高。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-5
目录  5-7
第一章绪论  7-17
  1.1 云计算的兴起  7-11
    1.1.1 研究背景  7-9
    1.1.2 发展现状  9-11
  1.2 数据中心  11-14
    1.2.1 数据中心分类  12-13
    1.2.2 传统数据中心网络架构  13-14
  1.3 本文的研究重点  14-15
  1.4 论文内容及结构安排  15-17
第二章云计算背景下的数据中心网络  17-29
  2.1 数据中心网络的发展趋势  17-19
  2.2 数据中心网络拓扑结构  19-21
  2.3 数据中心光互连网络  21-24
  2.4 数据中心网络的流量特性  24-29
    2.4.1 流量采集方法  24-25
    2.4.2 流级的通信特性  25
    2.4.3 分组级的通信特性  25-26
    2.4.4 流量的空间分布特征  26-27
    2.4.5 结论  27-29
第三章基于虚拟分级 Mesh 架构的数据中心网络  29-45
  3.1 Mesh 结构的数据中心网络  29-30
  3.2 Mesh 网络扩展与路由表大小  30-31
  3.3 单子网单代理设计  31-37
    3.3.1 网络节点编址  32
    3.3.2 子网代理与路由表组成  32-34
    3.3.3 分组路由过程  34-35
    3.3.4 子网代理的选择  35-36
    3.3.5 网络负载均衡性及最短路径分析  36-37
  3.4 单子网多代理设计  37-45
    3.4.1 服务器路由表大小  38-39
    3.4.2 分组路由过程  39-40
    3.4.3 虚拟分级 Mesh 网络的二维扩展  40-42
    3.4.4 虚拟分级 Mesh 网络的三维扩展  42-45
第四章基于 Mesh-of-Torus 混合互连架构的数据中心网络  45-57
  4.1 不使用虚信道的 Torus 网络无死锁路由  45-47
  4.2 Mesh-of-Torus 混合互连架构的数据中心  47-53
    4.2.1 Mesh-of-Torus 混合互连网络的特点  48-50
    4.2.2 分组路由过程  50-52
    4.2.3 路由无死锁证明  52-53
  4.3 Mesh-of-Torus 混合互连数据中心的扩展  53-57
    4.3.1 Mesh-of-Torus 混合互连数据中心的二维扩展  53
    4.3.2 Mesh-of-Torus 混合互连数据中心的三维扩展  53-57
第五章基于 OPNET 的仿真分析  57-69
  5.1 仿真平台简介  57-59
    5.1.1 仿真方案设计  58-59
  5.2 虚拟分级 Mesh 结构的数据中心的仿真对比及分析  59-61
    5.2.1 不同子网代理选择方式的仿真结果  59-61
  5.3 基于 Mesh-of-Torus 混合互连的数据中心网络的仿真对比及分析  61-69
    5.3.1 Mesh-of-Torus 混合互连的数据中心的仿真  62-64
    5.3.2 Mesh-of-Torus 混合互连与虚拟分级 Mesh 结构的数据中心的对比  64-69
第六章总结  69-71
致谢  71-73
参考文献  73-77
硕士在读期间的研究成果  77-78

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