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第1部分 基础知识3

第1章 数据中心简介3

1.1 起源与发展3

1.1.1 数据中心的概念及分类3

1.1.2 云计算对数据中心的需求6

1.1.3 大数据对数据中心的需求8

1.1.4 新一代数据中心的发展9

1.2 数据中心的应用领域14

1.2.1 基于数据中心的网络化存储15

1.2.2 基于数据中心的网络化计算16

1.2.3 基于数据中心的大数据应用17

1.3 数据中心网络面临的挑战19

1.3.1 功能可灵活定制的数据中心网络20

1.3.2 横向可扩展的数据中心网络21

1.3.3 数据中心网络资源的高效复用22

1.3.4 数据中心的网络虚拟化23

1.3.5 关联性流量的协同传输问题24

1.3.6 数据中心网络能耗的协同控制25

参考文献27

第2章 数据中心网络互联结构的研究现状29

2.1 引言29

2.2 以交换机为核心的网络互联结构31

2.2.1 树型互联结构32

2.2.2 扁平化互联结构34

2.2.3 光交换互联结构37

2.3 以服务器为核心的网络互联结构39

2.3.1 基于复合图的互联结构40

2.3.2 基于非复合图的互联结构42

2.4 模块化数据中心的互联结构44

2.4.1 模块内的互联结构45

2.4.2 模块间的互联结构45

2.5 随机型数据中心的网络互联结构47

2.5.1 基于小世界模型的数据中心互联结构48

2.5.2 基于随机正则图的数据中心互联结构49

2.5.3 基于无标度网络的数据中心互联结构49

2.6 无线数据中心的网络互联结构50

2.6.1 基于60GHz通信技术的混合互联结构51

2.6.2 基于60GHz通信技术的全无线互联结构52

2.6.3 基于自由空间通信技术的互联结构52

2.6.4 基于可见光通信的互联结构53

2.7 互联结构设计方法的演进和趋势53

2.7.1 数据中心互联结构设计方法的演进53

2.7.2 数据中心网络互联结构的发展趋势55

参考文献57

第2部分 数据中心的新型网络互联结构63

第3章 以服务器为核心的数据中心互联结构HCN63

3.1 引言63

3.2 HCN互联结构65

3.2.1 复合图的基本理论65

3.2.2 HCN互联结构的构建方法67

3.3 BCN互联结构69

3.3.1 BCN互联结构的描述69

3.3.2 BCN互联结构的构建方法71

3.4 BCN互联结构的路由机制75

3.4.1 单播通信的单路径路由75

3.4.2 单播通信的多路径路由78

3.4.3 容错路由模式79

3.5 性能评估82

3.5.1 网络规模83

3.5.2 网络直径和节点度85

3.5.3 连通性和路由路径多样性85

3.5.4 路径长度87

3.6 相关讨论88

3.6.1 扩展至多端口服务器88

3.6.2 位置关联的任务部署89

3.6.3 服务器路由的影响89

参考文献89

第4章 模块化数据中心互联结构DCube91

4.1 引言91

4.2 DCube互联结构93

4.2.1 DCube互联结构的设计思想93

4.2.2 H-DCube互联结构95

4.2.3 M-DCube互联结构95

4.3 DCube的单播单径路由97

4.3.1 H-DCube的单路径路由方法97

4.3.2 M-DCube的单路径路由方法99

4.4 DCube的单播多径路由及组播传输102

4.4.1 H-DCube的多路径路由方法103

4.4.2 M-DCube的多路径路由方法104

4.4.3 组播传输的速率提升106

4.5 性能评估107

4.5.1 单播和组播的传输加速能力108

4.5.2 聚合瓶颈吞吐量109

4.5.3 成本与布线复杂度的量化比较110

4.5.4 评估小结112

4.6 相关问题讨论114

4.6.1 任务的局部性部署114

4.6.2 服务器配备更多的NIC端口114

4.6.3 服务器参与路由决策的影响115

参考文献115

第5章 数据中心的混合互联结构R3117

5.1 引言117

5.2 混合互联结构的设计方法118

5.2.1 混合互联结构概述119

5.2.2 R3：基于复合图的互联结构120

5.2.3 混合互联结构数据中心的部署策略123

5.3 R3的路由方法123

5.3.1 基于边着色的标识符分配方法125

5.3.2 基于标识符的路由方法125

5.4 R3的拓扑优化128

5.4.1 R3结构设计的影响因素128

5.4.2 R3拓扑优化策略128

5.5 R3的规模渐进扩展问题130

5.5.1 现有单元簇中添加节点131

5.5.2 额外添加新的单元簇131

5.6 性能评估133

5.6.1 路由方法的时间开销133

5.6.2 布线成本比较134

5.6.3 网络性能比较135

5.6.4 相关问题讨论136

参考文献137

第6章 基于可见光通信的数据中心无线互联结构139

6.1 问题背景140

6.1.1 研究动机140

6.1.2 相关工作141

6.2 无线互联结构VLCcube的设计142

6.2.1 数据中心内引入VLC链路的可行性143

6.2.2 VLC信号的干扰问题143

6.2.3 VLCcube互联结构设计145

6.3 VLCcube的路由设计和流调度策略149

6.3.1 VLCcube中的混合路由算法149

6.3.2 数据流调度问题的建模150

6.3.3 数据流的批量调度方法151

6.3.4 数据流的在线调度方法154

6.4 VLCcube的性能评估155

6.4.1 实验设置与实验方法155

6.4.2 VLCcube的拓扑性质156

6.4.3 Trace流量下的网络性能158

6.4.4 Stride-2k流量下的网络性能158

6.4.5 随机流量下的网络性能159

6.4.6 拥塞感知的流调度算法评估160

6.5 相关问题讨论162

参考文献163

第3部分 数据中心的流量协同传输管理167

第7章 关联性流量Incast的协同传输管理167

7.1 引言167

7.2 Incast传输的网内数据聚合169

7.2.1 Incast数据流间网内聚合的可行性分析170

7.2.2 Incast最小代价树的建模171

7.2.3 基于Incast树的流间数据聚合实现172

7.3 高效Incast聚合树的构建174

7.3.1 Incast树的构建方法174

7.3.2 Incast最小代价树的构造方法177

7.3.3 发送端动态行为的处理方法178

7.3.4 接收端动态行为的处理方法179

7.4 相关问题讨论180

7.4.1 通用Incast传输模式180

7.4.2 其他数据中心结构下的Incast传输模式180

7.4.3 作业特征对Incast网内聚合性质的影响181

7.5 性能评估182

7.5.1 原型实现182

7.5.2 数据中心规模对聚合增益的影响183

7.5.3 Incast传输规模对聚合增益的影响185

7.5.4 聚合率对聚合增益的影响186

7.5.5 Incast成员分布对聚合增益的影响187

参考文献188

第8章 关联性流量Shuffle的协同传输管理193

8.1 引言193

8.2 Shuffle传输网内聚合194

8.2.1 问题建模194

8.2.2 Incast聚合树的构造方法196

8.2.3 Shuffle聚合子图的构造方法200

8.2.4 Shffule聚合子图的容错性能203

8.3 支持数据流网内聚合的可扩展转发策略204

8.3.1 通用的转发模式204

8.3.2 基于交换机内Bloom滤波的转发模式206

8.3.3 基于数据包内Bloom滤波的转发模式207

8.4 性能评估209

8.4.1 原型实现209

8.4.2 数据中心规模对聚合增益的影响210

8.4.3 Shuffle传输规模对聚合增益的影响212

8.4.4 聚合率对聚合增益的影响212

8.4.5 数据包中Bloom滤波的大小215

参考文献215

第9章 不确定关联性Incast的协同传输管理217

9.1 引言218

9.2 不确定性Incast传输的网内聚合问题220

9.2.1 不确定性Incast传输问题220

9.2.2 确定性Incast传输中的数据流网内聚合221

9.2.3 不确定性Incast传输中的数据流网内聚合222

9.3 不确定性Incast传输的聚合树构造方法223

9.3.1 网内聚合增益的多样性223

9.3.2 不确定性Incast传输中发送端的初始化问题225

9.3.3 不确定性Incast的聚合树构造方法230

9.4 性能评估233

9.4.1 评估方法和实验设置233

9.4.2 Incast传输规模对聚合增益的影响234

9.4.3 数据中心规模对聚合增益的影响236

9.4.4 聚合率对聚合增益的影响236

9.4.5 Incast成员的分布对聚合增益的影响238

9.4.6 接收端不确定产生的影响239

参考文献240

第10章 关联性流量Multicast的协同传输管理241

10.1 引言241

10.2 相关工作243

10.3 不确定性多播问题244

10.3.1 多播传输的观测结果245

10.3.2 不确定多播问题的定义246

10.3.3 混合整数线性规划建模248

10.4 MCF的高效构建方法249

10.4.1 近似构造算法P-MCF250

10.4.2 近似构造算法M-MCF252

10.5 性能评估256

10.5.1 SDN环境下不确定多播的实现256

10.5.2 基于小规模实验的性能评价257

10.5.3 基于大规模仿真的性能评价260

参考文献264