随着云计算技术的发展,作为其核心基础设施——数据中心,已成为制约云计算技术快速发展的重要因素,从而引起世界各国研究机构和研究者的广泛关注。传统的数据中心网络结构主要采用层次树形结构,包括边缘层,聚集层及核心层,其中边缘层交换机连接着大量的服务器,但却存在一定不足,包括:扩展性不足、存在单点失效,以及树形拓扑对于聚集层和核心层的设备要求较高等。因此,传统的数据中心网络结构已无法满足新型数据中心的可扩展性、容错性、高吞吐量等方面的性能要求。近年来人们对数据中心网络结构开展了广泛研究,目前所研究的数据中心网络结构主要分为两类:以交换机为中心和以服务器为中心。以交换机为中心的数据中心网络结构中,交换机充当了数据互联和路由的主要设备,其结构包括treeFat-、VL2、Portland和Moonsoon;而在以服务器为中心的数据中心网络结构中,多端口的服务器参与路由和分组转发,其结构包括DCell、BCube、MDCube、Ficonn、CamCube、DPillar、HCN、BCN和Snowflake等。以服务器为中心的网络结构中没有区分核心路由器和核心交换机,因此扩展性得到增加且拓扑结构灵活,但也存在一定局限,如扩展成本高,容错性不强,网络协议有待改进等。针对这些不足,本文提出一种改进的数据中心网络结构,在扩展性,稳定性,容错性等方面皆有一定提升。本文的主要内容安排如下:首先介绍了云计算和数据中心的相关背景,详细说明了云计算的发展及其五大关键特征和三大服务模式;之后阐述了云计算数据中心,并说明了新一代云计算数据中心所应具备的要求。之后分析了传统的数据中心网络结构存在的不足,并对几种经典的数据中心网络结构进行了性能分析,包括具有树形结构的treeFat-、具有递归特性的DCell、在DCell基础上进行改进的BCube、基于备用端口的Ficonn,以及基于Koch曲线的Snowflake。分别从其构成方式、连接规则、路由算法等方面进行研究分析,并详细指出它们在扩展性、容错性、稳定性等方面的优势及不足。针对以上数据中心网络结构存在的不足,提出了基于Durer分形五边形的数据中心网络结构DPBA(Durer-Fractal-Pentagon-Based Datacenter Network Architecture)。具体说明了分形的基本理论、Durer分形五边形的结构优势及其构成方式,以及DPBA的构造规则,并详细分析了DPBA的主要性能特点,包括网络扩展性较高,交换机-服务器比值较低等,同时给出了其网络直径和平均最短路径长度的表达方式,服务器的固定端口数目等。之后将DPBA与几种经典的数据中心网络结构进行了性能比较。为了进一步验证DPBA的优势,对其进行了路由研究分析。首先,利用十叉树的方式对DPBA中的服务器和交换机进行了命名,以便于服务器和交换机的标记与查找,易于找出故障点。之后设计了DPBA的最短路由算法和容错路由算法,在最短路由算法中,首先计算源节点和目的节点两个编码串的共同前缀,然后分别由源节点向共同前缀交换机进行搜索,由共同前缀交换机向目的节点进行搜索,最后通过将从源节点到共同前缀交换机的子路径和从共同前缀交换机到目的节点的子路径相连,即可得到所需最短路径。容错路由算法是在最短路由算法的基础上加了三个判断:(1)服务器是否失效;(2)服务器到交换机的链路是否失效;(3)交换机到服务器的链路是否失效。该算法的目的是能在失效情况下找到一条通往目的节点的路径。之后对DPBA进行了仿真实验。包括分别计算了无失效情况下的平均最短路径长度、在服务器失效下的平均最短路径长度、链路失效下的平均最短路径长度、服务器失效下的路径失效率,以及链路失效下的路径失效率。结果表明,本文所构造的DPBA结构有如下特点:(1)所需服务器端口数恒为3,因而费用较低,易于构建;(2)系统扩展时,不改变端口个数,其扩展不受端口数目限制,因此一次性构造成本和扩展成本较低;(3)结构稳定,可靠性较强;(4)扩展能力较强,网络容量较大;(5)布线方式简单容易,易于维护;(6)网络中所有节点都有其确定性编号,易于找出故障点;(7)容错能力强,在出现少部分服务器或者链路失效情况下仍能正常工作;(8)延迟较低。最后对全文进行了总结。