डेटा सेंटर नेटवर्क आर्किटेक्चर

डेटा सेंटर एक संचार नेटवर्क का उपयोग करके आपस में जुड़े संसाधनों (कम्प्यूटेशनल, स्टोरेज, नेटवर्क) का एक पूल है। डेटा सेंटर नेटवर्क (DCN) डेटा सेंटर में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है, क्योंकि यह सभी डेटा सेंटर संसाधनों को एक साथ जोड़ता है।  क्लाउड कम्प्यूटिंग  की बढ़ती मांगों को संभालने के लिए DCN को दसियों या सैकड़ों हजारों सर्वरों को जोड़ने के लिए स्केलेबल और कुशल होने की आवश्यकता है।  आज के डेटा केंद्र इंटरकनेक्शन नेटवर्क द्वारा विवश हैं।

डेटा सेंटर नेटवर्क टोपोलॉजी के प्रकार
डेटा सेंटर नेटवर्क को कई अलग-अलग श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है।
 * फिक्स्ड टोपोलॉजी
 * पेड़ आधारित
 * मूल वृक्ष
 * बंद नेटवर्क
 * वीएल2
 * मोटा पेड़|मोटा पेड़
 * अल-फेरेस एट अल।
 * पोर्टलैंड
 * आइवी
 * पुनरावर्ती
 * डीसेल
 * बीक्यूब
 * एमडीक्यूब
 * फिकॉन
 * लचीली टोपोलॉजी
 * पूरी तरह से ऑप्टिकल
 * ओएसए (ऑप्टिकल स्विचिंग आर्किटेक्चर)
 * हाइब्रिड
 * सी-थ्रू
 * हेलियोस

तीन स्तरीय डीसीएन
विरासती तंत्र थ्री-टियर DCN आर्किटेक्चर एक मल्टी-रूटेड  वृक्ष नेटवर्क  का अनुसरण करता है, जो नेटवर्क स्विच की तीन परतों, अर्थात् एक्सेस, एग्रीगेट और कोर लेयर्स से बना होता है। सबसे निचली परतों में सर्वर (कंप्यूटिंग) एज लेयर स्विच में से एक से सीधे जुड़ा हुआ है। कुल परत स्विच एक साथ कई एक्सेस लेयर स्विच को इंटरकनेक्ट करते हैं। सभी समग्र परत स्विच कोर परत स्विच द्वारा एक दूसरे से जुड़े हुए हैं। डेटा सेंटर को इंटरनेट से जोड़ने के लिए कोर लेयर स्विच भी जिम्मेदार हैं। त्रि-स्तरीय डेटा केंद्रों में उपयोग किया जाने वाला सामान्य नेटवर्क आर्किटेक्चर है। हालाँकि, त्रि-स्तरीय वास्तुकला क्लाउड कंप्यूटिंग की बढ़ती माँग को संभालने में असमर्थ है। त्रि-स्तरीय DCN की उच्च परतें अत्यधिक ओवरसब्सक्राइब्ड हैं। इसके अलावा, त्रि-स्तरीय डीसीएन में स्केलेबिलिटी एक और प्रमुख मुद्दा है। त्रि-स्तरीय आर्किटेक्चर द्वारा सामना की जाने वाली प्रमुख समस्याओं में स्केलेबिलिटी, गलती सहनशीलता, ऊर्जा दक्षता और क्रॉस-सेक्शनल बैंडविड्थ शामिल हैं। त्रि-स्तरीय आर्किटेक्चर टोपोलॉजी की उच्च परतों पर उद्यम-स्तर के नेटवर्क उपकरणों का उपयोग करता है जो बहुत महंगा और बिजली की भूख है।

मोटा पेड़ डीसीएन
फैट ट्री DCN आर्किटेक्चर ओवरसब्सक्रिप्शन और क्रॉस सेक्शन बैंडविड्थ की समस्या को कम करता है जिसका सामना लीगेसी थ्री-टियर DCN आर्किटेक्चर को करना पड़ता है। फैट ट्री डीसीएन क्लॉस नेटवर्क का इस्तेमाल करते हुए कमोडिटी नेटवर्क स्विच आधारित आर्किटेक्चर का इस्तेमाल करता है। फैट ट्री टोपोलॉजी में नेटवर्क तत्व भी एक्सेस, एग्रीगेट और कोर लेयर में नेटवर्क स्विच के पदानुक्रमित संगठन का अनुसरण करते हैं। हालाँकि, नेटवर्क स्विच की संख्या त्रि-स्तरीय DCN से बहुत बड़ी है। आर्किटेक्चर k पॉड से बना है, जहाँ प्रत्येक पॉड में, (k/2) होता हैटोपोलॉजी में 2 सर्वर, k/2 एक्सेस लेयर स्विच, और k/2 एग्रीगेट लेयर स्विच। कोर परतों में शामिल हैं (k/2)2 कोर स्विच जहां प्रत्येक कोर स्विच प्रत्येक पॉड्स में एक समग्र परत स्विच से जुड़ा होता है। फैट ट्री टोपोलॉजी 1:1 ओवरसब्सक्रिप्शन अनुपात और पूर्ण द्विभाजन बैंडविड्थ की पेशकश कर सकती है, पेड़ के उच्चतम स्तर पर उपलब्ध बैंडविड्थ बनाम प्रत्येक रैक की कुल बैंडविड्थ के आधार पर। उच्च पेड़ की शाखाओं को आमतौर पर 1:5 के अनुपात में उनकी निचली शाखाओं के लिए ओवरसब्सक्राइब किया जाता है, उच्चतम स्तर पर 1:80 या 1:240 सहित उच्चतम पेड़ स्तरों पर समस्या जटिल होती है। फैट ट्री आर्किटेक्चर एक कस्टमाइज्ड एड्रेसिंग स्कीम और रूटिंग एल्गोरिदम का उपयोग करता है। स्केलेबिलिटी फैट ट्री डीसीएन आर्किटेक्चर में प्रमुख मुद्दों में से एक है और पॉड्स की अधिकतम संख्या प्रत्येक स्विच में पोर्ट की संख्या के बराबर है।

डीसेल
DCell एक सर्वर-केंद्रित हाइब्रिड DCN आर्किटेक्चर है जहां एक सर्वर सीधे एक सर्वर से जुड़ा होता है। DCell आर्किटेक्चर में एक सर्वर कई नेटवर्क इंटरफेस कार्ड (NICs) से लैस है। DCell कोशिकाओं के पुनरावर्ती रूप से निर्मित पदानुक्रम का अनुसरण करता है। एक कोशिका0 कई स्तरों में व्यवस्थित DCell टोपोलॉजी की मूल इकाई और बिल्डिंग ब्लॉक है, जहाँ एक उच्च स्तर की कोशिका में कई निचली परत कोशिकाएँ होती हैं। कोश0 DCell टोपोलॉजी का निर्माण खंड है, जिसमें n सर्वर और एक कमोडिटी नेटवर्क स्विच शामिल है। नेटवर्क स्विच का उपयोग केवल सर्वर को सेल के भीतर जोड़ने के लिए किया जाता है0. एक कोशिका1 के = एन + 1 सेल शामिल है0 सेल, और इसी तरह एक सेल2 के * एन + 1 डीसेल शामिल है1. सेल एक अत्यधिक स्केलेबल आर्किटेक्चर है जहां सेल में केवल छह सर्वरों के साथ चार स्तर का डी'सेल है0 लगभग 3.26 मिलियन सर्वर समायोजित कर सकते हैं। बहुत उच्च मापनीयता के अलावा, DCell आर्किटेक्चर बहुत उच्च संरचनात्मक मजबूती दर्शाता है। हालाँकि, DCell DCN आर्किटेक्चर में क्रॉस सेक्शन बैंडविड्थ और नेटवर्क लेटेंसी एक प्रमुख मुद्दा है।

अन्य
कुछ अन्य प्रसिद्ध डीसीएन में बीक्यूब, कैमक्यूब, फिकॉन, जेलिफ़िश, और स्केफिडा। प्रत्येक के साथ जुड़े लाभ और कमियों के साथ-साथ विभिन्न डीसीएन की गुणात्मक चर्चा उपलब्ध कराई गई है।

चुनौतियां
स्केलेबिलिटी DCNs के लिए सबसे प्रमुख चुनौतियों में से एक है। क्लाउड प्रतिमान के आगमन के साथ, डेटा केंद्रों को सैकड़ों हजारों नोड्स तक स्केल करने की आवश्यकता होती है। अत्यधिक मापनीयता प्रदान करने के अलावा, उच्च क्रॉस-सेक्शन बैंडविड्थ प्रदान करने के लिए DCN की भी आवश्यकता होती है। वर्तमान डीसीएन आर्किटेक्चर, जैसे तीन स्तरीय डीसीएन खराब क्रॉस-सेक्शन बैंडविड्थ प्रदान करते हैं और रूट के पास बहुत अधिक सब्सक्रिप्शन अनुपात रखते हैं। फैट ट्री DCN आर्किटेक्चर 1:1 ओवरसब्सक्रिप्शन अनुपात और उच्च क्रॉस सेक्शन बैंडविड्थ प्रदान करता है, लेकिन यह एक स्विच में k = पोर्ट की कुल संख्या तक सीमित कम मापनीयता से ग्रस्त है। DCell अत्यधिक मापनीयता प्रदान करता है, लेकिन यह भारी नेटवर्क लोड और एक-से-कई ट्रैफ़िक पैटर्न के तहत बहुत खराब प्रदर्शन करता है।

डीसीएन का प्रदर्शन विश्लेषण
विभिन्न नेटवर्क ट्रैफ़िक पैटर्न के लिए प्रदर्शन तुलना (थ्रूपुट और विलंबता के आधार पर) के लिए त्रि-स्तरीय, वसा वृक्ष और डीसेल आर्किटेक्चर का मात्रात्मक विश्लेषण किया जाता है। फैट ट्री DCN त्रि-स्तरीय और DCell की तुलना में उच्च थ्रूपुट और कम विलंबता प्रदान करता है। उच्च नेटवर्क लोड और एक से कई ट्रैफ़िक पैटर्न के तहत DCell बहुत कम थ्रूपुट से ग्रस्त है। DCell के निम्न थ्रुपुट के प्रमुख कारणों में से एक उन लिंक्स पर सब्सक्रिप्शन अनुपात से बहुत अधिक है जो उच्चतम स्तर की कोशिकाओं को आपस में जोड़ते हैं।

डीसीएन की संरचनात्मक मजबूती और कनेक्टिविटी
DCell यादृच्छिक और लक्षित हमलों के खिलाफ बहुत उच्च मजबूती प्रदर्शित करता है और लक्षित विफलता के 10% के बाद भी अपने अधिकांश नोड को विशाल क्लस्टर में बनाए रखता है। फैट ट्री और थ्री-टियर DCNs की तुलना में मल्टीपल फेल्योर्स चाहे टारगेटेड हों या रैंडम। DCell की उच्च मजबूती और कनेक्टिविटी के प्रमुख कारणों में से एक इसकी अन्य नोड्स से कई कनेक्टिविटी है जो फैट ट्री या थ्री-टियर आर्किटेक्चर में नहीं पाई जाती है।

डीसीएन की ऊर्जा दक्षता
डेटा केंद्रों की ऊर्जा जरूरतों और पर्यावरणीय प्रभावों के बारे में चिंताएं तेज हो रही हैं। कुशल ऊर्जा उपयोग आज के सूचना और संचार प्रौद्योगिकी (आईसीटी) क्षेत्र की प्रमुख चुनौतियों में से एक है। डेटा सेंटर के नेटवर्किंग हिस्से को समग्र साइबर ऊर्जा उपयोग का लगभग 15% उपयोग करने के लिए जिम्मेदार ठहराया जाता है। 2010 में दुनिया भर में डेटा केंद्रों के भीतर संचार अवसंरचना द्वारा लगभग 15.6 बिलियन kWh ऊर्जा का उपयोग किया गया था। डेटा सेंटर के भीतर नेटवर्क इंफ्रास्ट्रक्चर द्वारा ऊर्जा की खपत डेटा केंद्रों में लगभग 50% तक बढ़ने की उम्मीद है। IEEE 802.3az मानक को 2011 में मानकीकृत किया गया है जो ऊर्जा दक्षता के लिए अनुकूली लिंक दर तकनीक का उपयोग करता है। इसके अलावा, फैट ट्री और डीसेल आर्किटेक्चर कमोडिटी नेटवर्क उपकरण का उपयोग करते हैं जो स्वाभाविक रूप से ऊर्जा कुशल है। वर्कलोड समेकन का उपयोग निष्क्रिय उपकरणों को पावर-ऑफ या स्लीप करने के लिए कुछ उपकरणों पर वर्कलोड को समेकित करके ऊर्जा दक्षता के लिए भी किया जाता है।