针对多层网络和Fat tree网络的仿真研究

陈 曦

（河南科技大学网络信息中心，河南 洛阳 471023）

数据中心网络是指数据中心内部通过高速链路和交换机连接大量服务器的网络[1]。其主要设计以优化成本和性能为目标，要求网络具有高带宽、高可扩展性、高容错性、低延迟、低开销的特性，这使得数据中心网络拓扑构成为一个关键的设计元素。

本文主要分析对比了多层网络和Fat tree网络特点，并根据数据中心网络的多对一流量模式，利用Qualnet网络仿真软件对多层网络和Fat tree网络进行了仿真，并设置了节点失效的情况，对比分析其容错性特点。

1 数据中心网络拓扑

常见的数据中心网络的拓扑可分为三种：基于交换机的拓扑、基于服务器的拓扑、交换机与服务器混合的拓扑。在基于交换机的拓扑中，使用交换机进行包的转发；在基于服务器的拓扑中，使用服务器不仅执行应用服务，而且还负责服务器间包的转发；而在交换机和服务器混合的拓扑中，交换机和服务器同时参与包的转发。

常见的基于交换机的拓扑如：多层网络，Fat tree，VL2，Portland]等。基于服务器的拓扑如：Camcube。基于交换机和服务器的混合拓扑有：BCube。本文主要介绍多两种基于交换机的拓扑结构。

1.1 多层网络

传统的数据中心网络拓扑主要是采用层次架构实现的，自上而下通常分为核心层、汇聚层和接入层。多层网络作为传统的网络拓扑结构常用于企业的数据中心。典型的三层拓扑结构包括根级别的核心交换机，中间层的汇聚交换机，和连接到主机和服务器的接入交换机，采用树形结构相连接，网络中的链路使用以太网协议，服务器间为了减少广播和提高网络安全性，可以使用VLAN将其划分不同的逻辑子网实现隔离。由于VLAN之间无法直接通信，需要通过三层交换机进行转发。通过二层交换技术生成树协议（STP）来管理拓扑，三层路由协议使用开放式最短路径优先协议（OSPF），可以提供等价多路径（ECMP）来实现负载均衡功能。层次树形网络拓扑结构简单，易于实现、管理和和扩展，多层网络对根节点的依赖过大，一旦根节点失效，将对网络性能造成很大的影响。

1.2 Fat tree网络

Al-Fares等人提出了一种Fat tree的网络拓扑结构，Fat tree主要通过互连一些低端廉价的交换机来代替多层网络拓扑中的高端交换机，因此多层网络中的汇聚层和接入层的交换机将被替换为一组互联的低端交换机替代。Fat tree位于汇聚层和接入层的交换机被分为K个域（Pod），每个域中的交换设备实现上行和下行链接数目相等，K个核心交换机共K2个端口分别连接K个域（Pod）。由于Fat tree中每个域（Pod）有相等的上行和下行连接数目，因此Fat tree有充分的对分带宽，另外由于拓扑中的域采用低端廉价的交换设备，因此该拓扑也是经济和高度可扩展的。

2 数据中心网络的流量特点

数据中心网络中，数据流量主要是服务器间的流量，东西向流量要多于南北向流量，主要有一对一、一对多、多对一和多对多等集群通信方式[2]。由于数据中心网络提供了诸如Web应用，网络硬盘、搜索引擎、集群计算等诸多应用服务，所以需要数据中心网络在极短的时间内处理大量的分布式计算和数据传输任务，对网络的性能提出了更高的要求。由于多用户需要共享数据中心网络中的计算、存储和带宽等资源这一特性，因此数据中心网络如何选用合理的拓扑结构从而高效调度网络资源也成为当今的研究热点。

3 基于Qualnet的网络仿真实验

QualNet 是由Scalable Network Technologies公司推出的一款商业性全球移动信息系统模拟器。QualNet仿真平台能模拟通信网络行为的规划、测试和训练。为了分析对比多层网络和Fat tree拓扑的性能，验证节点失效对网络的影响。分别采用基于链路状态路由选择的OSPFv2算法来分别对多层网络与Fat tree网络进行仿真，采用FTP应用来模拟数据中心网络中的东西向流量，采用多对一的流量模式，两个FTP应用服务向另一个接入交换机下的服务器发送数据，每个FTP发送1000个数据项。实验的仿真时间设置为300秒。另外为了保证实验的公平性，多层网络和Fat tree网络设置相同的服务器数量，设置为16台服务器，超额认购比为1：1。核心交换机以万兆接口与下行相连接，汇聚交换机和接入交换机间用千兆以太网相连，接入交换机与服务器和终端间用百兆以太网相连。

图1 Fat tree网络东西向流量仿真图

相比于多层网络，图1的Fat tree网络采用基于OSPFv2路由协议可以充分的利用网络冗余链路，使得网络转发节点的负载更加的均衡。通过采用OSPFv2路由协议能使用更多的节点进行数据包的单播转发，从而降低了核心层和汇聚层节点的转发数据包量。

另外为了验证多层网络和Fat tree网络拓扑中根节点即核心交换机失效时对网络性能的影响，本文设计将核心层的一个节点设置为静态失效，失效时间从仿真开始的10秒到30秒，即核心层节点持续20秒的失效期。

图2 没有节点失效时Fat tree节点的平均延时

图3 节点11失效时Fat tree节点的平均延时

根据实验结果发现，对于多层网络，当核心节点出现失效时，会提高其他高节点的平均时延，而对比图2和图3，发现对于Fat tree网络，当核心节点失效时，基本上不会提高其他节点的平均时延。因此，相对于多层网络，Fat tree对根节点失效具有较强的容错性。

4 结束语

本文介绍并分析了数据中心网络中多层网络和Fat tree拓扑的特点，总结了数据中心网络中的流量特征，并通过使用Qualnet网络仿真对多层网络和Fat tree进行了仿真，通过实验证明了在使用OSPFv2协议下Fat tree相对于多层网络具有更多的链路冗余，及汇聚和核心层的节点转发量更小。并且证明在节点失效的情况下，Fat tree对节点失效具有较强的容错性，更适合用于数据中心网络。