论文部分内容阅读
随着网络和商业应用的发展，不断增长的业务需求给数据中心的可扩展性带来了挑战，因此，数据中心的可扩展性成为其研究和发展的重要内容之一。对于数据中心来说，互连网络是其“骨架”，而交换节点是骨架的“关节”。因此，本文的研究从交换节点的核心交换结构和网络拓扑结构两个方面展开。交换结构的研究基于一种新的敏捷交换结构-容争交叉开关交换结构（CTC(N)）。首先针对其吞吐率瓶颈和信元乱序问题进行了改进研究。设计了对角化CTC(N)结构（DiaCTC(N)）。DiaCTC(N)继承了CTC(N)全分布调度的优点，同时有效地防止了下游输入端口的瓶颈问题，极大的提高了吞吐率；设计了自调节全分布调度算法，该算法能够有效的防止信元乱序，仿真实验证明，该算法在DiaCTC(N)上可以达到较高的吞吐率。其次，利用CTC(N)全分布控制特性，设计了两种使用小规模容争交叉开关（CTC）构建的大规模交换结构，即并行化CTC(N)结构，记为PCTC(N)，和两阶段CTC(N)，记为TCTC(N, k)。在PCTC(N)中，交换内核被划分为若干独立不重叠的小区域。各个区域独立并行的运行，获得较高的吞吐率。在TCTC(N, k)中，将交换分为输入和输出两个阶段，每个阶段均由若干CTC模块组成，k是每个模块的规模。当k远远小于N时，TCTC(N, k)能够达到100%交换吞吐率，并有效的降低平均信元阻截次数，缩短由于乱序导致的延迟。网络拓扑结构的研究基于超图理论和组合区组设计理论。首先以施耐特三元系为基础设计了一种多层的数据中心拓扑结构，记为MSTS。并证明了随着层数的增加，MSTS能够连接的计算单元数以数倍于双指数级的速度增长。同时MSTS具有相对较小的网络直径，有效保证了计算单元间通信效率，且MSTS中通信分布均匀，不存在瓶颈节点。其次，证明了三步法产生的结构中任意节点对之间不相交路径的数量。第三，对三步法进行扩展，提出了通用三步法，用于构建更大规模大的、直径为2的拓扑结构。最后，提出了一种网络融合法，能够将多个由三步法或者通用三步法产生的直接网络融合成一个网络直径为5的间接网络。并针对不同的优化目标，设计了一族拓扑结构。这些结构在内簇通信带宽、可靠性、使用的交换设备数和连接的计算单元数等几个相关特征之间相互平衡和转化。