新型数据中心网络拓扑结构及性质的研究

作     者：张雅芝 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：禹继国;王桂娟

授予年度：2024年

学科分类：12[管理学] 1201[管理学-管理科学与工程(可授管理学、工学学位)] 08[工学] 081201[工学-计算机系统结构] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：数据中心网络 容错性 路由算法 安全信息模型 不安全系数 

摘      要：随着云计算、大数据和人工智能等领域的迅速发展,数据中心网络作为底层基础设施发挥着越来越重要的作用。传统的数据中心网络拓扑结构往往无法满足这些新兴应用的要求,因此设计更符合现代应用需求的数据中心网络拓扑结构具有重要的意义。此外,可靠的新型数据中心网络拓扑结构还能提高网络的安全性,减少网络故障对系统的影响。因此,研究新型数据中心网络的拓扑结构并提升其性能不仅能够满足当下数据中心的需求,还能为未来数据中心网络的发展奠定坚实的基础,进而推动整个以数据为中心的基础设施向更高水平发展。 在本文中,将从新型数据中心网络的拓扑结构、安全信息模型、容错路由等方面展开研究。首先,大多数传统的数据中心网络拓扑结构往往难以同时满足低延迟、高可扩展性、低构造成本等方面的需求。因此,构造低成本、高可扩展性的新型数据中心网络显得尤为重要。其次,现有的针对安全信息模型的研究大多只对服务器的安全状态进行定义,缺乏准确评估服务器不安全系数的策略,并且未考虑服务器和链路同时发生故障的情况,这将造成信息在传输过程中的丢失,甚至引发网络的宕机。再次,在已有的关于容错路由的研究成果中,研究人员大多是基于规则的网络拓扑结构提出的,因此这些路由算法难以在不规则的网络中被广泛应用。另外,现有的大部分容错路由算法没有基于安全信息模型,无法判断服务器的不安全系数,这往往导致数据传输过程中的丢失和网络发生拥塞。在本文中,分别对设计数据中心网络的拓扑结构及提高其性能等方面出现的问题进行了研究。 本文的主要研究成果如下: 1.针对传统数据中心网络拓扑结构难以满足高可扩展性、低构造成本、高可靠性、低延迟等方面需求的问题,在本文中,构建了一种新型数据中心网络拓扑结构。实验结果表明,与其他主流的数据中心网络拓扑结构相比,本文提出的新型数据中心网络拓扑结构在可扩展性、构建成本、传输时延、容错性和服务器端口利用率等关键性能指标上具有明显的优势。 2.针对现有安全信息模型只考虑网络中单一故障元素的情况且缺乏准确评估服务器不安全系数的问题,在本文中,定义了一个能够同时考虑服务器和链路发生故障,并能够准确评估出服务器不安全系数的安全信息模型。与现有的安全信息模型相比,本文提出的模型更可靠、准确性更高,同时也更符合实际应用的需求。 3.针对现有容错路由算法普适性差、无法在路由过程中确定服务器的不安全系数且无法有效收集局部安全信息的问题,在本文中,将安全信息模型与容错路由算法相结合,分别基于交换超立方体和不完全SDCCP设计了自适应容错路由算法,该算法总能在源服务器和目标服务器之间,选择不安全系数最低的服务器进行传输,减少了重传的现象,降低了数据的传输时延。另外,本文设计的容错路由算法不仅适用于规则网络还适用于异构网络,提高了容错路由算法的效率和普适性。 综上所述,本文首先提出了一种高度可扩展的新型数据中心网络拓扑结构,并针对该结构研究了其传输时延、可靠性、容错性和路由等多方面的性质。然后,结合安全信息模型给出了能够直接评估服务器不安全系数的评估策略。此外,基于评估策略分别在规则和不规则的数据中心网络拓扑结构中设计了自适应容错路由算法。通过以上的研究,满足了新兴应用对数据中心网络拓扑结构和性能的需求,同时也对未来新型数据中心网络的设计具有重要的指导意义。