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一文读懂胖树(Fat-Tree)拓扑结构

网络拓扑
2022-10-04
10652
更新：2022-10-18 10:32:09

**内容提要**：在 2008 年由美国加利福尼亚计算机科学与工程的几位教授发表的一篇论文《A scalable, commodity data center network architecture》中，明确的提出了一种三级的，被称之为胖树（Fat-Tree）的 CLOS 网络架构，标志着 CLOS 正式进入数据中心网络架构领域，这是 CLOS 网络模型的第三次应用。

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**1、什么是Fat-Tree**

**Fat-Tree 是无带宽收敛的**：传统的树形网络拓扑中，带宽是逐层收敛的，树根处的网络带宽要远小于各个叶子处所有带宽的总和。而 Fat-Tree 则更像是真实的树，越到树根，枝干越粗，即：从叶子到树根，网络带宽不收敛。这是 Fat-Tree 能够支撑无阻塞网络的基础。

![image.png](https://ngdcn.com/zb_users/upload/2022/10/202210041664873814580966.png)

如上图所示，为了实现网络带宽的无收敛，Fat-Tree 中的每个节点（根节点除外）都需要保证上行带宽和下行带宽相等，并且每个节点都要提供对接入带宽的线速转发的能力。

但是，传统单根/多根拓扑结构有以下缺点：**成本高**，根部交换机必须要有足够大的带宽来满足下层服务器之间的通信；**性能瓶颈**，无法满足数据中心内部大规模的MapReduce和数据拷贝。

为了解决树形结构根节点的瓶颈问题，研究者提出了许多可用的拓扑结构。分为以交换机为中心和以服务器为中心的架构。其中，Fat-Tree在近年来的科研中应用较为广泛。SIGCOMM会议论文：Al-Fares M, Loukissas A, Vahdat A. A scalable, commodity data center network architecture。

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**2、Fat-Tree的实际价值**

当前，Fat-Tree 是业界普遍认可的实现无阻塞网络的技术。其基本理念是：**使用大量低性能的交换机，构建出大规模的无阻塞网络**，对于任意的通信模式，总有路径让他们的通信带宽达到网卡带宽。Fat-Tree 的另一个好处是，它用到的所有交换机都是相同的，这让我们能够在整个数据中心网络架构中采用廉价的交换机。

Fat-Tree是以交换机为中心的拓扑。支持在横向拓展的同时拓展路径数目；且所有交换机均为相同端口数量的普通设备，降低了网络建设成本。

具体来说，Fat-Tree结构共分为三层：**核心层、汇聚层、接入层**。一个k元的Fat-Tree可以归纳为5个特征：

l 核心层为顶层，一共有(k/2)^2个交换机；

l 一共有k个pod，每个pod有k台交换机组成。其中汇聚层和接入层各占k/2台交换机；

l 接入层每个交换机可以容纳k/2台服务器，因此，k元Fat-Tree一共有k个pod，每个pod容纳k\*k/4个服务器，所有pod共能容纳k\*k\*k/4台服务器；

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**常见的有2元、4元、6元等结构**。

![image.png](https://ngdcn.com/zb_users/upload/2022/10/202210041664873825489711.png)

上图为最简单的 k=4 时的 Fat-Tree 拓扑，**连在同一个接入交换机下的服务器处于同一个子网，他们之间的通信走二层报文交换。不同接入交换机下的服务器通信，需要走路由**。下面是一个6元胖树结构。

![image.png](https://ngdcn.com/zb_users/upload/2022/10/202210041664873830790263.png)

**3、Fat-Tree的缺陷**

l Fat-Tree 的扩展规模在理论上受限于核心层交换机的端口数目，不利于数据中心的长期发展要求；