数据中心的网络互联结构和流量协同传输管理 - (EPUB全文下载)

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书籍内容：

数据中心的网络互联结构和流量协同传输管理
第1部分　基础知识
第1章　数据中心简介
第2章　数据中心网络互联结构的研究现状
第2部分　数据中心的新型网络互联结构
第3章　以服务器为核心的数据中心互联结构HCN
第4章　模块化数据中心互联结构DCube
第5章　数据中心的混合互联结构R3
第6章　基于可见光通信的数据中心无线互联结构
第3部分　数据中心的流量协同传输管理
第7章　关联性流量Incast的协同传输管理
第8章　关联性流量Shuffle的协同传输管理
第9章　不确定关联性Incast的协同传输管理
第10章　关联性流量Multicast的协同传输管理
文末彩插
第1部分基础知识
第1章数据中心简介
本章分别从数据中心的起源和发展的角度详述了云计算、物联网、大数据等新技术领域的发展对数据中心的推动作用；从应用领域的角度详述了数据中心在网络化存储、网络化计算以及数据分析处理等领域的主要应用现状；从功能可定制、互联结构横向可扩展、网络资源的高效复用、网络虚拟化、关联性流量的协同传输、网络能耗的协同控制等方面详述了数据中心网络技术面临的重大挑战。
1.1　起源与发展
1.1.1　数据中心的概念及分类
维基百科中关于数据中心（data center）给出了如下定义：“一整套复杂的设施。它不仅仅包括计算机系统和其他与之配套的设备（例如通信和存储系统），还包含冗余的数据通信连接、环境控制设备、监控设备以及各种安全装置等”[1]。数据中心旨在依据特定网络结构，将大规模服务器和网络设施等硬件资源进行互联，形成计算、存储、网络等资源的规模效应和整体优势，进而面向各类上层应用提供网络化存储、网络化计算等弹性服务。云计算、物联网、大数据等新型计算和应用进一步推动了现代数据中心的快速发展，并使其成为国家和IT企业的核心信息基础设施。数据中心的规模和应用不断发展，已经渗透到经济、科技、军事以及人们日常生活等各个方面。按照规模，数据中心可划分为：部门级数据中心、企业级数据中心、互联网数据中心以及主机托管数据中心等。通过这些规模从小到大的数据中心，企业可以运行各种应用。
数据中心的出现源于人们对海量数据的高效组织和管理需求。早期，银行和金融业等行业的用户记录不断增多，因而对高效的数据存储和管理技术需求越来越迫切。Internet的蓬勃发展和社会的数字化变革，导致网络上的数据呈爆炸式增长，出现了越来越多需要进行大规模数据存储和处理的应用需求。为了应对这种激增的数据存储和分析处理需求，业界提出了多种支持海量数据存储和管理的网络化存储架构，典型的架构包括：直接附加存储（direct access storage, DAS）、网络附加存储（network attached storage, NAS）和存储区域网络（storage area network, SAN）。
DAS是指将磁盘阵列等存储设备通过SCSI线缆或光纤通道直接连接到一台服务器。其中，使用SCSI线缆时，一台服务器最多挂载16台存储设备，而使用光纤时可以挂载126台存储设备。通过直接附加存储的方式可以实现单机存储到网络化存储系统的转变，但是这样的存储体系结构存在扩展性差、资源利用率低，管理复杂的缺点。首先，因为每台服务器挂载的存储单元是为了满足该服务器自身的存储需求，因此其存储设备无法被其他服务器共享和利用。如果应用需求的变化需要更换新的服务器，则需要在新的服务器上挂载新的存储设备。而原服务器上挂载的存储设备并不能被高效地利用，因此造成了大量的存储资源的浪费。这种浪费除了因为挂载在某台服务器上的存储单元不能被其他服务器使用外，还可能因为运行在服务器上的应用不同导致每台服务器的存储资源利用不均。DAS是以服务器为中心的存储体系结构，适合于存储容量需求不高、服务器的数量不大的中小型局域网。DAS难以满足现代存储应用大容量、高可靠、高可用、高性能、动态可扩展、易维护和开放性等多方面的需求。解决这一问题的关键是将访问模式从以服务器为中心转化为以数据和网络为中心，实现容量扩展、性能增加和距离延伸，尤其是实现多个主机数据的共享，这导致了存储与计算的分离，即网络存储的发展。
NAS是将存储设备通过标准的网络拓扑结构（例如以太网）连接到一个计算机网络，其包括硬盘阵列等存储器件和专用服务器。专用服务器上运行有特定的操作系统，通常是经过专门优化过的Unix/Linux操作系统。专用服务器充当远程文件服务器，利用NFS、SMB/CIFS、FTP等协议对外提供文件级的访问。网络附加存储是针对文件级别的存储架构，网络中的其他应用服务器通过网络存储和访问存储设备上的文件系统。经过专门优化过的文件系统，支持多种文件格式，因此在网络附加存储的架构中，应用服务器可以使用不同的操作系统，相互之间通过存储设备上的文件系统实现文件共享。与存储区域网络相比，网络附加存储具有文件操作和管理系统，可使不同的应用服务器之间共享资源。因为网络附加存储是文件级别的存储，相对于存储区域网络采用数据块存储的方式来说，存储的速率相对较低。NAS主要面向高效的文件共享服务，适用于较小网络规模下大容量文件数据的传输场合。
SAN将存储设备和服务器进行高速可靠互联，并在存储端将多个存储设备构成一个专用于数据存储的区域网络。前端的服务器可以通过网络的方式访问后端的存储设备。每个存储设备不隶属于任何一台服务器，所有存储设备面向全体服务器进行资源共享。目前常用的SAN架构根据协议和连接设备的差异，可以分为光纤通信接口和普通网络通信接口。SAN架构有很多优点。首先，服务器通过网络访问存储设备，因此多台服务器可以同时向不同的存储设备存储数据。这种访问存储设备的方式，使得存储设备与服务器之间解耦合，存储设备和服务器设备可以独立建设和更新。同时，存储设备可被多项应用高效地共享利用，避免了因为应用需求不同导致存储设备利用率不高的问题。SAN经过十多年的发展，已经相当成熟，成为业界的事实标准。但是，对于PB级大规模数据存储需求而言，SAN的体系结构在 ............

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