[发明专利]胖树结构组网数据中心内部节点IP地址的自动分配方法

说明书

技术领域

本发明涉及网络技术领域，尤其涉及一种胖树结构组网数据中心内部节点IP地址的自动分配方法。

背景技术

数据中心（Data Center），或称为服务器农场（Server Farm），指用于安置计算机系统及相关部件（如网络、存储系统）的设施，一般还包括冗余和备用电源，冗余数据通信连接，环境控制（如空调、灭火器）和安全设备等。早期数据中心主要用来提供互联网基础平台服务及各种增值服务，因此被称为Internet数据中心（IDC），通常由专门的电信业务机构管理运营，提供服务。近年来，随着互联网服务、分布式计算、系统虚拟化等技术的发展和进步，现代IT企业特别是互联网服务企业，均建立了大规模的企业级数据中心，用来提供诸如网络搜索、在线社交网络、在线游戏、在线办公等云服务。另外，公共计算中心和科研院所、高等院校等，也纷纷建立面向高性能科学计算服务的数据中心。现代数据中心密度高，规模大，不仅实现了被安置的计算设备、存储设备对电源、散热等基础设施的共享利用，而且利用其具有的规模化、网络化优势，结合虚拟化技术、并行计算技术，实现了对云计算的高效支撑。目前，在世界范围内，数据中心进入了蓬勃发展期，其建设规模和服务器数量每年都在以惊人的速度增长。在此背景下，数据中心及其网络高效互联技术受到IT业界特别是互联网服务企业和网络设备厂商的重视，目标是实现对数据中心内成千上万台服务器设备的高效互联。

传统的树状网络结构的缺点在于，网络带宽的有效利用受限于树状结构和高层设备带宽，同时可靠性和可利用性较差。针对这些问题，研究人员提出了名为胖树(Fat-Tree)的网络结构，它是一种具有高聚合带宽、高性价比、无阻塞、支持多链路等特点的新型数据中心网络拓扑结构。胖树结构完全采用普通的三层交换机进行组网，其网络规模和交换机的端口数量k有关。该网络结构共分4层，最底层为服务器层，互联服务器的交换机从下至上依次构成核心层(Core)、聚合层(Aggregation)、边缘层(Edge)。胖树结构中，一组k/2个聚合层交换机和一组k/2个边缘层交换机构成一个独立的Pod，网络中总共有k个Pod。每个Pod中，聚合层与边缘层的交换机两两互连，每个边缘层交换机的剩余k/2个端口连接k/2台服务器，每个聚合层交换机的剩余k/2个端口依次连接k/2台核心层交换机（共k²/4台）。图1给出了k=4时的胖树网络结构示意图。

胖树结构中网络节点的IP地址配置和其拓扑结构密切相关。具体的IP地址规则定义如下：

对于Pod内交换机，IP地址格式为10.PodID.SwitchID.1，其中PodID表示交换机所属Pod编号(PodID∈[0，k-1])，边缘层交换机SwitchID∈[0，k/2-1]，聚合层交换机SwitchID∈[k/2，k-1]。

对于核心层交换机，IP地址格式为10.k.j.i，其中j的值等于当前交换机所连接的聚合层交换机的SwitchID-k/2+1(j∈[1，k/2])，i用来区分连接到同一台聚合层交换机的k/2台核心层交换机(i∈[1，k/2]。

对于服务器，IP地址格式为10.PodID.SwitchID.hostID，其中PodID表示服务器所属Pod的编号，SwitchID和该服务器所连接的边缘层交换机的SwitchID相同，hostID用来区分连接到同一台边缘层交换机的k/2台服务器(hostID∈[2，k/2+1])。

当交换机端口数k=4时，所有网络节点的IP地址命名如图1所示。

数据中心内的服务器和交换机在提供服务之前，必须进行地址配置。传统的地址配置方法是人工静态配置，这显然无法满足数据中心网络的需求：首先，数据中心的规模是巨大的，大型的数据中心通常有上万台服务器，人工配置会消耗大量的人力和财力，并且非常低效；其次，人工配置容易出错，因为对于服务器数量庞大的数据中心网络，每一台都由人工重复配置地址，出错在所难免，而产生的故障往往难以被检测到，如果再进行检测校正，往往会影响数据中心服务的正常运行。

因此，在数据中心网络中有必要采用IP地址自动配置技术。目前网络中，节点的IP地址自动配置主要是采用RFC 2131定义的动态主机配置协议(Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP)。DHCP协议是BOOTP协议的扩展，协议实现中包含客户端和服务器端两种实体。由客户端向服务器提出IP地址配置申请，服务器根据策略返回相应IP地址配置响应信息。