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使用C++构建Fattree网络结构

2023-07-14 12:07:23 深夜i -- --

C++ Fattree 网络构建结构

在网络技术领域中，Fat Tree是一种经典的网络拓扑结构。它是通过多个交换机组成的，具有高带宽、低时延等特点。今天我们将使用C++语言来构建一个Fat Tree网络结构。

首先，让我们明确一下什么是Fat Tree。Fat Tree网络结构由三个层级组成，分别是核心层、汇聚层和接入层。核心层连接汇聚层，汇聚层连接接入层，而接入层则连接终端设备。在这个结构中，每层都由交换机组成，交换机之间的连线均为全双工的。

接下来，我们将使用C++语言来实现上述结构。首先，我们需要定义交换机对象。我们可以使用以下代码：


class Switch {
  public:
    int id_;
    int layer_;
    vector<int> ports_;
    vector<int> connect_;
    Switch(int id, int layer)
      id_ = id;
      layer_ = layer;
   
};

这个类包含了交换机的ID和层级，以及与之相连的端口和交换机。为了简化程序，我们只考虑了无线图的情况。因此，我们的交换机只会有一个对应的交换机。在程序中，我们可以使用如下代码来定义一个交换机对象：


Switch s(1, 2);

这个代码定义了一个ID为1，属于汇聚层的交换机对象s。

接下来，我们需要考虑如何构建整个Fat Tree网络结构。我们可以使用以下代码：


//定义Fat Tree网络结构
int num_switch_per_layer;  //每层的交换机数量
int num_ports_per_switch;  //每个交换机拥有的端口数量
vector<vector<Switch>> switches;  //Fat Tree网络中所有交换机的集合
switches.resize(3);
//构建核心层
for (int i = 0; i < num_switch_per_layer; i++) {
  Switch s(i, 0);  //定义核心层交换机
  switches[0].push_back(s);
}
//构建汇聚层
for (int i = 0; i < num_switch_per_layer; i++) {
  Switch s(i, 1);  //定义汇聚层交换机
  for (int j = 0; j < num_ports_per_switch; j++) {
    int id = i*num_ports_per_switch + j;  //计算汇聚层交换机连接的核心层交换机的ID
    s.connect_.push_back(id);
  }
  switches[1].push_back(s);
}
//构建接入层
for (int i = 0; i < num_switch_per_layer; i++) {
  Switch s(i, 2);  //定义接入层交换机
  for (int j = 0; j < num_ports_per_switch; j++) {
    int id = i*num_ports_per_switch + j;  //计算接入层连接的汇聚层交换机ID
    s.connect_.push_back(id + num_switch_per_layer*num_ports_per_switch);
  }
  switches[2].push_back(s);
}
//核心层与汇聚层连接
for (int i = 0; i < num_switch_per_layer; i++) {
  for (int j = 0; j < num_ports_per_switch; j++) {
    int id = i*num_ports_per_switch + j;  //计算汇聚层交换机连接的核心层交换机ID
    Switch& c_s = switches[0][id];
    for (int k = 0; k < num_ports_per_switch; k++) {
      int c_id = i*num_ports_per_switch + k;  //计算核心层交换机连接的汇聚层交换机ID
      c_s.connect_.push_back(c_id + num_switch_per_layer);
    }
  }
}
//汇聚层与接入层连接
for (int i = 0; i < num_switch_per_layer; i++) {
  for (int j = 0; j < num_ports_per_switch; j++) {
    int id = i*num_ports_per_switch + j + num_switch_per_layer*num_ports_per_switch;  //计算接入层交换机连接的汇聚层交换机ID
    Switch& c_s = switches[1][i];
    for (int k = 0; k < num_ports_per_switch; k++) {
      c_s.connect_.push_back(id);
    }
  }
}

这里，我们使用了一个双重循环来构建整个Fat Tree网络结构。我们首先定义了每层的交换机数量和每个交换机拥有的端口数量。然后，我们构建整个网络结构：为每个交换机分配ID、属于的层级，以及与之相连的端口和交换机。最后，我们使用双重循环将各层交换机连接起来。

在构建完整个网络后，我们就可以使用C++来模拟数据包在网络中的传输。假设我们的网络中有100个终端设备，我们可以使用以下代码来模拟数据包的传输：


int src_id = rand() % 100;  //随机选择一个终端设备作为源设备
int dst_id = rand() % 100;  //随机选择一个终端设备作为目的设备
//通过源设备的接入层交换机，找到目的设备所连接的交换机
int src_switch_id = switches[2][src_id/num_ports_per_switch].id_;  //源设备所连接的交换机ID
int dst_switch_id = switches[2][dst_id/num_ports_per_switch].id_;  //目的设备所连接的交换机ID
int route[num_switch_per_layer * 2 - 1];  //记录数据包从源设备到目的设备的路径
int num_hop = 0;  //记录数据包从源设备到目的设备的跳数
//核心层与汇聚层之间有至少一条路径
for (int i = 0; i < num_ports_per_switch; i++) {
  if (switches[1][dst_switch_id].connect_[i] < num_switch_per_layer*num_ports_per_switch) {
    route[num_hop] = switches[1][dst_switch_id].connect_[i];
    num_hop++;
    break;
  }
}
//汇聚层与接入层之间有至少一条路径
for (int i = 0; i < num_ports_per_switch; i++) {
  if (switches[2][dst_id/num_ports_per_switch].connect_[i] == dst_switch_id) {
    route[num_hop] = switches[2][dst_id/num_ports_per_switch].connect_[i];
    num_hop++;
    break;
  }
}
//构建一条从源设备到目的设备的路径
while (route[num_hop-1] != src_switch_id) {
  int switch_id = route[num_hop-1];
  int layer = switches[switch_id/num_switch_per_layer][0].layer_;
  for (int i = 0; i < num_ports_per_switch; i++) {
    if (switches[layer][switch_id%num_switch_per_layer].connect_[i] == route[num_hop-2]) {
      route[num_hop] = switches[layer][switch_id%num_switch_per_layer].connect_[num_ports_per_switch + i];
      num_hop++;
      break;
    }
  }
}
//统计数据包从源设备到目的设备经过的交换机和跳数
cout << "Route from " << src_id << " to " << dst_id << " : " << src_id;
for (int i = num_hop-2; i >= 0; i--) {
  cout << " -> " << switches[i/num_switch_per_layer][route[i]%num_switch_per_layer].id_;
}
cout << " -> " << dst_id << ", hops = " << num_hop << endl;

这个代码根据源设备和目的设备所连接的交换机，计算数据包从源设备到目的设备经过的路径，并统计数据包经过的交换机和跳数。

最后，我们可以使用C++语言的可视化库来显示整个Fat Tree网络结构。我们可以使用以下代码：


#include <SFML/Graphics.hpp>
int main()
{
  sf::RenderWindow window(sf::VideoMode(800, 600), "Fat Tree");
  
  sf::CircleShape core_switch(50.f, num_switch_per_layer);
  sf::CircleShape agg_switch(30.f, num_switch_per_layer);
  sf::CircleShape access_switch(20.f, num_switch_per_layer);
  
  core_switch.setFillColor(sf::Color(255, 0, 0));
  agg_switch.setFillColor(sf::Color(0, 0, 255));
  access_switch.setFillColor(sf::Color(0, 255, 0));
  
  sf::Font font;
  font.loadFromFile("arial.ttf");
  sf::Text id_text;
  id_text.setFont(font);
  id_text.setColor(sf::Color::Black);
  
  while (window.isOpen())
  {
    sf::Event event;
    while (window.pollEvent(event))
    {
      if (event.type == sf::Event::Closed)
        window.close();
    }
    window.clear(sf::Color::White);
   
    //画核心层
    for (int i = 0; i < num_switch_per_layer; i++) {
      core_switch.setPosition(sf::Vector2f(100.f + i*100.f, 60.f));
      id_text.setString(to_string(switches[0][i].id_));
      id_text.setPosition(sf::Vector2f(100.f + i*100.f, 60.f));
      window.draw(core_switch);
      window.draw(id_text);
    }
   
    //画汇聚层
    for (int i = 0; i < num_switch_per_layer; i++) {
      agg_switch.setPosition(sf::Vector2f(85.f + i*100.f, 180.f));
      id_text.setString(to_string(switches[1][i].id_));
      id_text.setPosition(sf::Vector2f(85.f + i*100.f, 180.f));
      window.draw(agg_switch);
      window.draw(id_text);
    }
   
    //画接入层
    for (int i = 0; i < num_switch_per_layer; i++) {
      access_switch.setPosition(sf::Vector2f(70.f + i*100.f, 300.f));
      id_text.setString(to_string(switches[2][i].id_));
      id_text.setPosition(sf::Vector2f(70.f + i*100.f, 285.f));
      window.draw(access_switch);
      window.draw(id_text);
    }
   
    //画连接线
    for (int i = 0; i < num_switch_per_layer; i++) {
      //核心层和汇聚层之间的连接
      for (int j = 0; j < num_ports_per_switch; j++) {
        int id = i*num_ports_per_switch + j;
        sf::Vertex line[2];
        line[0].position = sf::Vector2f(100.f + i*100.f, 60.f);
        line[1].position = sf::Vector2f(85.f + j*100.f, 180.f);
        if (switches[0][id].connect_.size() > 0 && switches[1][switches[0][id].connect_[0]].id_ == i) {
          line[0].color = sf::Color::Red;
          line[1].color = sf::Color::Blue;
        }
        else {
          line[0].color = sf::Color::Blue;
          line[1].color = sf::Color::Red;
        }
        window.draw(line, 2, sf::Lines);
      }
      //汇聚层和接入层之间的连接
      for (int j = 0; j < num_ports_per_switch; j++) {
        sf::Vertex line[2];
        line[0].position = sf::Vector2f(85.f + i*100.f, 180.f);
        line[1].position = sf::Vector2f(70.f + j*100.f, 300.f);
        if (switches[1][i].connect_.size() > j && switches[1][i].connect_[j] >= num_switch_per_layer*num_ports_per_switch) {
          line[0].color = sf::Color::Red;
          line[1].color = sf::Color::Green;
        }
        else {
          line[0].color = sf::Color::Green;
          line[1].color = sf::Color::Red;
        }
        window.draw(line, 2, sf::Lines);
      }
    }
   
    window.display();
  }
 
  return 0;
}

这个代码使用了可视化库SFML来构建窗口，并画出了整个Fat Tree网络结构，包括交换机和连接线。

通过这篇文章的讲解，我们可以看到，使用C++语言来构建Fat Tree网络结构是可行的。这个网络结构具有高带宽、低时延等优点，可以应用于各种网络场景中。当然，我们的程序仅仅是实现了这个网络结构的基本架构，并没有考虑真实需求，读者们可以在此基础上继续完善，并投入实际应用中。

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