针对混合型拓扑结构数据中心的路由方法、路径探测机制和报文处理机制技术

本发明专利技术公开了一种针对混合型拓扑结构数据中心的路由方法、路径探测机制和报文处理机制，所述路由方法利用混合型拓扑结构数据中心规整的连线方式，首先求得顶层路径集，再分别求得每条顶层路径所对应的左路径和右路径，最后将左路径和右路径合并求得完整路径。所述的路径探测机制利用多对探测请求/应答包对给定路径集进行网络状况的探测，供路由选择使用。所述的报文处理机制是路由算法和路径探测机制的具体实现，其被透明地嵌入到网络协议栈中。本发明专利技术针对混合型拓扑结构数据中心的、基于动态规划的路由算法，可以利用网络拓扑结构的特点求得最佳路径，且通过理论推导可得其时间复杂度均要低于现有最短路径算法，具有计算上的可行性。

【技术实现步骤摘要】
针对混合型拓扑结构数据中心的路由方法、路径探测机制和报文处理机制
本专利技术属于互联网
，特别涉及一种针对混合型拓扑结构数据中心的路由方法、路径探测机制和报文处理机制。
技术介绍
数据中心网络是指数据中心的网络基础设施，他通过高速的链路和交换机连接着大量的服务器，数据中心网络是数据中心硬件部分的核心基础构成，它的拓扑结构给出了数据中心所有交换机和服务器的连接关系，决定数据中心的具体组织形式。随着信息资源数字化的发展，在工业制造、电子商务、科研教学、生活娱乐等诸多领域，每天都会产生大量的数据。数据规模越来越大，增长速度越来越快是当今时代发展的必然趋势。为了容纳海量数据，必须构建更多大规模数据中心予以支持。数据中心不仅承载了传统的客户/服务器应用，还承担了包括大规模分布式文件系统和并行计算框架等新的基础应用。为了提供良好的用户体验，这些应用对网络延迟、带宽、容错性等方面都有着非常严格的要求。而传统互联网的路由机制大多是针对异构的网络结构而设计的，未能充分利用大规模数据中心的结构特点，因此都不能很好地满足上述的要求。对此，需要设计一套针对大规模数据中心的高效路由机制来解决此问题。当前，数据中心网络大多都基于树形结构，但其可扩展性和容错性都未能满足要求，在成本方面也缺乏竞争性。近年来，国内外也提出了一些基于混合型拓扑结构的数据中心网络解决方案。混合型拓扑结构的特点是服务器不仅作为计算单元，还参与路由转发工作。如微软亚洲研究院郭传雄等人提出的DCell，李丹等人提出的FiConn，以及谢俊杰等人提出的Totoro等，都使用了廉价的交换机和多端口网卡服务器，但采取不同的连线结构和路由机制，实现了较高的可扩展性和容错性。这些拓扑结构都是基于递归定义的层次型结构，连线规律高度对称，所对应的路由机制和结构特点紧密相关。这些结构的原生路由算法都是基于逐跳计算的，即一个数据包到达每一个中间节点都要进行一次路由计算，直到到达目的节点。这种路由方案在大流量的情形下极易导致中间节点消耗大量资源进行路由转发工作，从而降低其本身的业务处理效率。此外，这些结构中的一些路由方案还设定广播域来实现链路状态共享，以支持重路由来增强路由机制的容错性。但链路状态的广播势必消耗额外的网络带宽，从而影响数据中心网络的可用带宽。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种针对混合型拓扑结构数据中心的路由方法。本专利技术的又一目的在于，提供一种基于上述路由方法的路径探测机制。本专利技术的再一目的在于，提供一种基于该路由方法以及路径探测机制的报文处理机制。为了达到上述第一目的，本专利技术采用以下技术方案：一种针对混合型拓扑结构数据中心的路由方法，包括下述步骤：(1)对于一对源服务器和目的服务器，初始化一个空的结果路径集合，检测源服务器和目的服务器是否连接到同一交换机上；若是，则将源服务器和目的服务器之间的直接链路加入结果路径集合，路由寻找结束；若否，则根据拓扑结构求得它们共同所属的最低层次分区，进入步骤(2)；(2)在源服务器和目的服务器共同所属的最低层次的分区结构中找到所有满足以下条件的路径：这些路径中的每一条路径将源服务器所属的分区结构和目的服务器所属的分区结构连接起来；把这些路径放到一个顶层路径集中，进入步骤(3)；(3)尝试从顶层路径集中取出一条路径，检测是否取得到；若是，则将其从路径集中剔除，并进入步骤(4)；若否，则路由计算过程结束；(4)对于步骤(3)取得的路径，分别取其左端点和右端点，左端点和源服务器在同一分区结构中，右端点和目的服务器在同一分区结构中，进入步骤(5)；(5)递归调用此算法，将该子过程的目的服务器置为步骤(4)中所得的左端点，源服务器不变，开始子过程，子过程结束后取得其结果路径集合，设为左路径集合，进入步骤(6)；(6)递归调用此算法，将该子过程的源服务器置为步骤(4)中所得的右端点，目的服务器不变，开始子过程，子过程结束后取得其结果路径集合，设为右路径集合，进入步骤(7)；(7)将左路径集合和右路径集合做笛卡尔积，将结果加入结果路径集合，进入步骤(8)；(8)对结果路径集合按照长度从小到大排序，剔除指定数量以外的路径，进入步骤(3)。优选的，所述拓扑结构是基于递归定义的、层次型的、连线规律对称的混合型拓扑结构，即服务器参与路由转发工作的数据中心网络。优选的，所述结果路径集合，可以指定一个数量约束其大小，最终求得的结果路径集合中包含的路径是所有可能路径中较短的路径，若指定其数量大小为1，则最终求得的结果路径集合中仅包含一条路径，且其是源服务器和目的服务器之间最短的路径；所述对结果路径集合进行排序时，可采用最大堆排序，堆大小设置为指定最大路径数量，若堆满时，将长度大于堆顶路径长度的额外路径直接剔除，从而提高排序效率。为了达到上述又一目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于上述路由方法的路径探测机制，对于所有源服务器发往目的服务器的数据包，先根据上述的路由方法求得结果路径集进行路径探测，路径探测期间，数据包被缓存起来，待路径探测完毕再发送出去；对于上述的结果路径集合中的每一条路径，构造路径探测请求数据包，将路径信息保存在该数据包中，将其从源服务器发送到目的服务器，再由目的服务器返回。优选的，路径探测过程中的每一个中间节点取得路径探测包后，无需再次进行路由计算，仅需从探测包中取得路径信息，并将该探测包发送到下一跳服务器，直至目的服务器，目的服务器收到路径探测包后，反转探测路径，构造路径探测应答包发送给源服务器，当源服务器收到路径探测应答包后，在缓存中将对应的路径标记为可用状态，供以后数据包发送使用，缓存信息设置生存时间，超时后再次发起路径探测。优选的，路径探测过程中的每一个中间节点都在路径探测包中保存当前的链路状况，源服务器可根据探测包上所保存的链路状况评估链路的可用性选择合理的传播路径，可结合负载均衡机制。为了达到上述再一目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于上述路径探测机制的报文处理机制，包括下述处理步骤：报文处理在典型的网络协议栈中被实现为介于第2层数据链路层和第3层网络层之间的2.5层协议，当数据报从网络层向下传递给数据链路层时，被上述的报文处理机制所捕获，通过上述的路由算法计算出路径集合，再通上述的路径探测机制获得可行路径，紧接着构造报文，对网络层提供的数据报贴上带有路径信息的头部，最后调用数据链路层接口将数据包发送出去，报文处理机制只根据路径信息进行尽力交付，不提供可靠传输保证。优选的，根据网络协议的分层原理，数据链路层无需获知上层协议所交付的报文格式，其只负责发送到指定地址，而当数据链路层从网络设备接收到一个数据包时，其向上层协议提交，此时同样被上述的报文处理机制所捕获，该机制提取上述报文头部，判断其目的服务器是否为当前服务器；若是，则提交给上层协议，若否，则从报头的路径信息中获得下一跳服务器地址，再次传递给数据链路层将数据包发送出去。优选的，所述报文的头部格式包含以下字段：报文类型：长度为8位，0x00代表数据报文，0x01代表路径探测请求报文，0x02代表路径探测应答报文；标识符：长度为8位，代表探测路径的编号，仅在路径探测报文中有意义；首部长度：长度为8位，代表所述头部的长度，以字节计本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种针对混合型拓扑结构数据中心的路由方法，其特征在于，包括下述步骤：(1)对于一对源服务器和目的服务器，初始化一个空的结果路径集合，检测源服务器和目的服务器是否连接到同一交换机上；若是，则将源服务器和目的服务器之间的直接链路加入结果路径集合，路由寻找结束；若否，则根据拓扑结构求得它们共同所属的最低层次分区，进入步骤(2)；(2)在源服务器和目的服务器共同所属的最低层次的分区结构中找到所有满足以下条件的路径：这些路径中的每一条路径将源服务器所属的分区结构和目的服务器所属的分区结构连接起来；把这些路径放到一个顶层路径集中，进入步骤(3)；(3)尝试从顶层路径集中取出一条路径，检测是否取得到；若是，则将其从路径集中剔除，并进入步骤(4)；若否，则路由计算过程结束；(4)对于步骤(3)取得的路径，分别取其左端点和右端点，左端点和源服务器在同一分区结构中，右端点和目的服务器在同一分区结构中，进入步骤(5)；(5)递归调用此算法，将该子过程的目的服务器置为步骤(4)中所得的左端点，源服务器不变，开始子过程，子过程结束后取得其结果路径集合，设为左路径集合，进入步骤(6)；(6)递归调用此算法，将该子过程的源服务器置为步骤(4)中所得的右端点，目的服务器不变，开始子过程，子过程结束后取得其结果路径集合，设为右路径集合，进入步骤(7)；(7)将左路径集合和右路径集合做笛卡尔积，将结果加入结果路径集合，进入步骤(8)；(8)对结果路径集合按照长度从小到大排序，剔除指定数量以外的路径，进入步骤(3)。...

【技术特征摘要】
1.一种针对混合型拓扑结构数据中心的路由方法，其特征在于，路由方法包括下述步骤：(1)对于一对源服务器和目的服务器，初始化一个空的结果路径集合，检测源服务器和目的服务器是否连接到同一交换机上；若是，则将源服务器和目的服务器之间的直接链路加入结果路径集合，路由寻找结束；若否，则根据拓扑结构求得它们共同所属的最低层次分区，进入步骤(2)；(2)在源服务器和目的服务器共同所属的最低层次的分区结构中找到所有满足以下条件的路径：这些路径中的每一条路径将源服务器所属的分区结构和目的服务器所属的分区结构连接起来；把这些路径放到一个顶层路径集中，进入步骤(3)；(3)尝试从顶层路径集中取出一条路径，检测是否取得到；若是，则将其从路径集中剔除，并进入步骤(4)；若否，则路由计算过程结束；(4)对于步骤(3)取得的路径，分别取其左端点和右端点，左端点和源服务器在同一分区结构中，右端点和目的服务器在同一分区结构中，进入步骤(5)；(5)递归调用上述路由方法，调用本方法为子过程，将该子过程的目的服务器置为步骤(4)中所得的左端点，源服务器不变，开始子过程，子过程结束后取得其结果路径集合，设为左路径集合，进入步骤(6)；(6)递归调用上述路由方法，调用本方法为子过程，将该子过程的源服务器置为步骤(4)中所得的右端点，目的服务器不变，开始子过程，子过程结束后取得其结果路径集合，设为右路径集合，进入步骤(7)；(7)将左路径集合和右路径集合做笛卡尔积，将结果加入结果路径集合，进入步骤(8)；(8)对结果路径集合按照长度从小到大排序，剔除指定数量以外的路径，进入步骤(3)。2.根据权利要求1所述的一种针对混合型拓扑结构数据中心的路由方法，其特征在于，所述拓扑结构是基于递归定义的、层次型的、连线规律对称的混合型拓扑结构，即服务器参与路由转发工作的数据中心网络。3.根据权利要求1所述的一种针对混合型拓扑结构数据中心的路由方法，其特征在于，所述结果路径集合，可以指定一个数量约束其大小，最终求得的结果路径集合中包含的路径是所有可能路径中较短的路径，若指定其数量大小为1，则最终求得的结果路径集合中仅包含一条路径，且其是源服务器和目的服务器之间最短的路径；所述对结果路径集合进行排序时，可采用最大堆排序，堆大小设置为指定最大路径数量，若堆满时，将长度大于堆顶路径长度的额外路径直接剔除，从而提高排序效率。4.根据权利要求1所述路由方法的路径探测方法，其特征在于，对于所有源服务器发往目的服务器的数据包，先根据权利要求1所述的路由方法求得结果路径集进行路径探测，路径探测期间，数据包被缓存起来，待路径探测完毕再发送出去；对于权利要求1中所求的结果路径集合中的每一条路径，构造路径探测请求数据包，将路径信息保存在该数据包中，将其从源服务器发送到目的服务器，再由目的服务器返回。5.根据权利要求4所述的路径探测方法，其特征在于，路径探测过程中的每一个中间节点取得路径探测包后，无需再次进行路由计算，仅需从探测包中取得路径信息，并将该探测包发送到下一跳服务器，直至目的服务器，目的服务器收到路径探测包后，反转探测路径，构造路径探测应...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓玉辉，谢俊杰，吕丽君，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：广东;44