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HCN 63
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DCube 91
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R3 117
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-MCF 250
10.4.2 近似构造算法M-MCF 252
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