新型數據中心網絡 從雲數據中心到智算中心網絡

張嬌 北京郵電大學長聘教授、博導，國 家 級青年人才。長期致力於數據中心網絡、智算中心網絡等研究。曾獲CCF優 秀博士學位論文獎、中國通信學會技術發明特等獎/一等獎和中國電子學會創新團隊獎等榮譽。主持國家重點研發計劃（青年科 學 家項目）、國家自然科學企業聯合基金等多項國 家 級項目以及華為等領軍企業合作項目20餘項。在SIGCOMM、NSDI、TON等網絡領域會議/期刊上發表學術論文一百餘篇。 潘恬 北京郵電大學副教授，從事雲數據中心網絡、可編程網絡設備、衛星互聯網等研究，在SIGCOMM、NSDI等會議上發表論文一百餘篇，授權專利70餘項，主持多個國 家 級項目，並與產業界開展緊密合作，獲通信學會、電子學會科技獎勵。 黃韜 北京郵電大學教授、博導，國 家 級人才，紫金山實驗室未來網絡中心主任。長期從事未來網絡、確定性網絡、網絡人工智能等方面研究工作。主持20餘項國 家 級重點科研項目，在重要期刊和會議發表SCI/EI論文一百五十餘篇，授權專利八十餘項，出版中英文專著八部，獲中國通信學會科技進步特等獎、技術發明一等獎，中國電子學會科技進步一等獎、全 國發明展覽會金獎等多項獎勵，相關技術成果已規模應用到電信、電力、國防等多個領域。 劉韻潔 中國工程院院士，現任紫金山實驗室* 席 科 學 家，國家未來網絡試驗設施重大科技基礎設施（CENI）項目負責人。曾主持設計、建設和運營管理我國第 一個公用數據網絡體系，開拓了我國公用數據通信新領域；主持中國聯通多業務統一網絡平臺的設計、建設和運營工作，在全球率先實現在一個網絡平臺上同時提供話音、數據和視頻等多種業務。目前主要研究方向為未來網絡、網絡融合與演進，曾獲得國家科技進步一等獎一項，部級科技進步一等獎二項，從事網絡技術工作近五十年，在數據網、互聯網以及網絡融合等方面做出了開拓性工作。

第 1章 新型數據中心網絡概述 001
1.1　數據中心網絡發展歷程　001
1.1.1　物理數據中心　002
1.1.2　互聯網數據中心　003
1.1.3　雲數據中心　004
1.1.4　智算中心　005
1.2　新型數據中心網絡架構　007
1.2.1　硬件設備　007
1.2.2　組網結構　011
1.3　新型數據中心網絡流量控制　013
1.3.1　傳輸控制　013
1.3.2　負載均衡　015
1.4　新型數據中心網絡性能隔離　017
1.5　新型數據中心網絡運營維護　019
1.5.1　可編程數據面　020
1.5.2　網絡測量　021
1.5.3　故障管理　022
1.6　新型數據中心網絡典型應用場景　023
1.6.1　雲計算　023
1.6.2　大數據　024
1.6.3　物聯網　024
1.6.4　邊緣計算　024
1.6.5　人工智能　024
1.7　本章小結　025

第　2章 新型數據中心網絡架構　027
2.1　基於樹狀拓撲的數據中心網絡架構　028
2.1.1　Fat-tree網絡　029
2.1.2　VL2網絡　032
2.1.3　VxLAN技術　038
2.1.4　Leaf-Spine網絡　043
2.2　基於混合遞歸結構的數據中心網絡架構　044
2.2.1　DCell網絡　045
2.2.2　FiConn網絡　046
2.3　統一、低時延的新型數據中心網絡架構　049
2.3.1　Aquila網絡設計目標　050
2.3.2　Aquila網絡硬件設計　052
2.3.3　Aquila網絡SDN實現　058
2.4　智算中心網絡架構　062
2.4.1　HPN　062
2.4.2　Google的TPUv4機器學習*算中心　067
2.4.3　英偉達基於NVLink、NVSwitch的RDMA全互聯網絡　070
2.5　本章小結　072
參考文獻　072

第3章　新型數據中心網絡傳輸控制　075
3.1　新型數據中心業務特征與需求　075
3.1.1　新型數據中心業務分布式架構　076
3.1.2　新型數據中心對低時延和高吞吐量的需求　078
3.2　數據中心網絡傳輸控制　081
3.2.1　傳統TCP傳輸控制　082
3.2.2　雲數據中心網絡傳輸控制　087
3.2.3　智算中心網絡傳輸控制　095
3.3　本章小結　109
參考文獻　109

第4章　新型數據中心網絡負載均衡　111
4.1　新型數據中心網絡負載均衡的背景與挑戰　111
4.1.1　新型數據中心網絡架構特點　111
4.1.2　新型數據中心網絡流量特征　112
4.1.3　新型數據中心能耗　113
4.2　新型數據中心網絡負載均衡概述　114
4.2.1　負載均衡定義　115
4.2.2　負載均衡目標　115
4.2.3　負載均衡與廣域網流量調度的對比　117
4.2.4　負載均衡基本流程　118
4.2.5　性能評價指標　120
4.3　新型數據中心網絡負載均衡方案　121
4.3.1　負載均衡方案分類　121
4.3.2　傳統數據中心網絡負載均衡　122
4.3.3　智算中心網絡負載均衡　146
4.4　本章小結　148
參考文獻　149

第5章　新型公有雲網絡性能隔離　153
5.1　公有雲網絡性能隔離　153
5.1.1　性能隔離方案概述　154
5.1.2　集中式性能隔離方案　156
5.1.3　分布式性能隔離方案　167
5.2　智算中心RDMA網絡性能隔離　178
5.2.1　軟件性能隔離方案——Justitia　179
5.2.2　硬件性能隔離方案——SR-IOV/HW TC　182
5.2.3　RDMA微架構資源　186
5.3　公有雲網絡性能隔離發展出路　190
5.4　本章小結　191
參考文獻　192

第6章　新型數據中心可編程數據面　195
6.1　網絡設備：黑盒與白盒　195
6.2　數據面可編程技術　198
6.2.1　軟硬件解耦技術　198
6.2.2　網絡可編程技術　199
6.2.3　硬件加速技術　202
6.3　部署案例　203
6.3.1　新型數據中心組網　203
6.3.2　在網計算　205
6.4　數據面編程語言——P4　206
6.4.1　變量　207
6.4.2　Parser　208
6.4.3　Ingress處理與Egress處理　209
6.4.4　Deparser　210
6.4.5　一個簡單的P4程序　211
6.5　本章小結　215
參考文獻　216

第7章　新型數據中心網絡測量　217
7.1　新型數據中心網絡測量概述　217
7.2　網絡測量學術研究　219
7.2.1　新型數據中心網絡流量測量　220
7.2.2　帶內網絡遙測　224
7.2.3　Sketch數據結構　234
7.2.4　虛擬網絡測量　237
7.2.5　雲原生網絡測量　238
7.3　網絡測量工業界解決方案　248
7.3.1　Barefoot芯片　249
7.3.2　博通芯片　251
7.3.3　思科Silicon One　253
7.3.4　華為IFIT　255
7.4　本章小結　259
參考文獻　259

第8章　新型數據中心網絡故障管理　263
8.1　新型數據中心網絡故障管理背景　263
8.2　新型數據中心網絡故障管理架構　265
8.3　數據中心網絡故障及其影響　265
8.3.1　主機間網絡故障　266
8.3.2　主機內網絡故障　266
8.3.3　網絡故障對業務性能的影響　267
8.4　新型數據中心網絡監控與故障定位指標　268
8.5　新型數據中心網絡監控與故障定位相關技術　270
8.5.1　Ping命令/端到端探測　270
8.5.2　Traceroute命令　271
8.5.3　ERSPAN　272
8.5.4　INT　273
8.6　新型數據中心網絡監控與故障定位典型方案　274
8.6.1　Pingmesh　274
8.6.2　NetBouncer　276
8.6.3　EverFlow　277
8.7　智算中心網絡故障管理典型方案　278
8.7.1　Hostping　278
8.7.2　R-Pingmesh　280
8.8　本章小結　282
參考文獻　283

名詞索引　285