突發(fā)大數(shù)據(jù)在存儲輔助光電路交換網(wǎng)絡(luò)中的傳輸

李超，林霄，孫衛(wèi)強，胡衛(wèi)生

上海交通大學，上海 200240

突發(fā)大數(shù)據(jù)在存儲輔助光電路交換網(wǎng)絡(luò)中的傳輸

李超，林霄，孫衛(wèi)強，胡衛(wèi)生

上海交通大學，上海 200240

電路交換網(wǎng)絡(luò)交換粒度較粗，在應(yīng)對突發(fā)式業(yè)務(wù)時阻塞率較高。針對這一問題，提出在光電路交換網(wǎng)絡(luò)節(jié)點引入存儲，從而在突發(fā)階段暫存“時延不敏感”的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)并錯峰傳輸?；跁r移多層圖研究了存儲容量與業(yè)務(wù)突發(fā)度的關(guān)系，并通過仿真驗證了對網(wǎng)絡(luò)性能的改善程度。研究結(jié)論包括：突發(fā)業(yè)務(wù)對光電路交換網(wǎng)絡(luò)性能有較大影響；引入存儲可以有效平滑突發(fā)業(yè)務(wù)，降低阻塞率；在固定的網(wǎng)絡(luò)負載下，所需的存儲容量隨著業(yè)務(wù)突發(fā)度的增大而增大。

大數(shù)據(jù)傳輸；輔助存儲；突發(fā)業(yè)務(wù)；光電路交換

1 引言

近年來，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和“數(shù)據(jù)密集型”應(yīng)用的不斷出現(xiàn)，互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)量正在呈爆炸式增長。寬帶化的發(fā)展也使得人均網(wǎng)絡(luò)接入帶寬和流量迅速提升。全球新產(chǎn)生數(shù)據(jù)年增40%，即信息總量每兩年就可以翻一番，并且這一趨勢將不斷持續(xù)[1]，這表明大數(shù)據(jù)時代已經(jīng)到來。在大數(shù)據(jù)時代，傳輸和處理如此大量的數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)設(shè)施提出了很高的要求①http:// sloanreview. mit.edu/article/ the-storageand-transferchallenges-ofbig-data/。

研究顯示，在大數(shù)據(jù)時代的網(wǎng)絡(luò)中，巨塊數(shù)據(jù)占據(jù)和消耗了大量的網(wǎng)絡(luò)帶寬[2]。例如，為了保證服務(wù)質(zhì)量（QoS），提高訪問容錯率，云服務(wù)提供商通常建立多個地理位置分散的數(shù)據(jù)中心，并且定期同步和復制它們之間的內(nèi)容。這些數(shù)據(jù)中心之間經(jīng)常需要傳輸和同步巨量的備份數(shù)據(jù)[3]。這類巨塊數(shù)據(jù)的傳輸有以下兩個特點。

· 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流量巨大。單個業(yè)務(wù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量可以達到GB甚至TB級別。根據(jù)某些機構(gòu)的觀察和預測，數(shù)據(jù)中心之間的流量在2016年將達到1.3 ZB，之后每年以31%的速度增長，在2019年將達到2.8 ZB②http://www. cisco.com/c/en/ us/solutions/ collateral/ serviceprovider/globalcloud-indexgci/Cloud_Index_ White_Paper. html。

· 對業(yè)務(wù)的實時性要求較低。由于沒有實時業(yè)務(wù)的交互性要求，上述業(yè)務(wù)通常可以容忍數(shù)小時甚至數(shù)天的時延[4]。

在傳輸流量如此巨大的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時，“端到端”的電路交換網(wǎng)絡(luò)比“逐個分組轉(zhuǎn)發(fā)、逐跳處理”的分組交換網(wǎng)絡(luò)有更大的優(yōu)勢[5]，而且以光路作為傳輸媒介的光電路交換（optical circuit switching，OCS）技術(shù)具有低能耗、大帶寬等優(yōu)點。但是，在電路交換網(wǎng)絡(luò)中，通信雙方在通信之前需要建立一條雙方獨占的電路。在建立電路之后、釋放線路之前，整個線路不允許其他業(yè)務(wù)使用。這將導致較低的網(wǎng)絡(luò)資源利用率。特別當業(yè)務(wù)表現(xiàn)出一定的突發(fā)性時，集中到來的業(yè)務(wù)請求可能因找不到足夠的帶寬資源而被拒絕，從而造成阻塞率過高的問題[6]。大數(shù)據(jù)傳輸場景中的突發(fā)性業(yè)務(wù)的問題逐漸引起了人們的關(guān)注和研究[7,8]。

由于大數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)大都能夠在一定程度上容忍時延，因此可以在電路交換網(wǎng)絡(luò)中引入存儲隊列來暫存業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。當網(wǎng)絡(luò)忙碌時，找不到足夠帶寬資源的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)暫存在存儲中，等待未來時刻帶寬資源充足時再進行錯峰傳輸，這提高了網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率，降低了網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)請求的阻塞率[9,10]。

當存儲引入網(wǎng)絡(luò)后，如何為新到業(yè)務(wù)找到一條既包含帶寬資源（空間鏈路）又包含存儲資源（時域鏈路）的可用通路，是需要在兩個維度上調(diào)度的復雜問題。為了應(yīng)對這樣的復雜調(diào)度問題，時移多層圖作為一種通用的路由框架被提出[11]。時移多層圖的基本思想是將網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)隨時間的變化記錄下來，并用代表存儲資源使用狀況的時域鏈路將這些快照連接起來。使用時移多層圖進行路由調(diào)度，可以統(tǒng)一管理網(wǎng)絡(luò)中的帶寬資源和存儲資源，極大地簡化了路由過程。時移多層圖提供的路由框架可以有效地研究存儲電路交換網(wǎng)絡(luò)傳輸突發(fā)業(yè)務(wù)的問題。

2 大數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境中的突發(fā)業(yè)務(wù)

在大數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)典場景——數(shù)據(jù)中心之間的通信過程中，業(yè)務(wù)特性表現(xiàn)出了強烈的不規(guī)律性和波動性[2]。Padgavankar M H等人把易變性作為大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的三大特性之一[12]。通常情況下，這種波動性的突發(fā)業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)性能的影響很大，會帶來較高的阻塞率[5]，從而使網(wǎng)絡(luò)性能惡化。

為了改善網(wǎng)絡(luò)性能，一種可以利用網(wǎng)絡(luò)空閑時的帶寬傳輸大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的策略被提出②，這樣可以在不增加網(wǎng)絡(luò)成本的情況下完成大量數(shù)據(jù)的傳輸。由于網(wǎng)絡(luò)的空閑和忙碌狀態(tài)通常表現(xiàn)出以“日”為單位的周期性交替現(xiàn)象②[2,4]，把網(wǎng)絡(luò)忙碌時產(chǎn)生的“時延不敏感”業(yè)務(wù)存儲等待至網(wǎng)絡(luò)空閑時錯峰傳輸?shù)倪^程可以看作一個應(yīng)對周期性突發(fā)業(yè)務(wù)的存儲—轉(zhuǎn)發(fā)策略。在研究更為一般的隨機性非周期性突發(fā)業(yè)務(wù)時，需要一個通用的業(yè)務(wù)模型和研究方法。

針對于大數(shù)據(jù)傳輸場景中的突發(fā)業(yè)務(wù)，有研究者關(guān)注了數(shù)據(jù)中心的微突發(fā)業(yè)務(wù)（micro-burst traffic），基于廣泛應(yīng)用在以太網(wǎng)交換機上的“動態(tài)門限值”策略提出了改進的“增強動態(tài)門限值”策略來降低微突發(fā)業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)性能的負面影響[7]。另一種應(yīng)對突發(fā)性業(yè)務(wù)的方法是提前預測突發(fā)業(yè)務(wù)的產(chǎn)生，有研究工作提出了一種基于熵的預測方法[8]。通過仿真驗證，這種預測方法的準確度可以達到85%以上。

上述關(guān)于突發(fā)業(yè)務(wù)在大數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境中的研究，主要集中在如何應(yīng)對或預測產(chǎn)生在以太網(wǎng)交換機上的突發(fā)性業(yè)務(wù)。相比于對以太網(wǎng)交換機存儲隊列造成的影響，突發(fā)業(yè)務(wù)對存儲輔助的光交換網(wǎng)絡(luò)造成的影響將更加明顯。這是因為電路交換網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)對突發(fā)業(yè)務(wù)時的靈活性比分組交換網(wǎng)絡(luò)差。除此以外，突發(fā)業(yè)務(wù)還可能造成存儲使用的溢出，這對光存儲技術(shù)還不成熟的光網(wǎng)絡(luò)帶來的困難則更為棘手[6]。因此，深入研究突發(fā)大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在存儲輔助光電路交換網(wǎng)絡(luò)中的傳輸問題，對理解和設(shè)計此類網(wǎng)絡(luò)有重要的實際意義。

3 存儲輔助網(wǎng)絡(luò)研究工具：時移多層圖

在存儲輔助的電路交換網(wǎng)絡(luò)中，當新的業(yè)務(wù)請求到達時，網(wǎng)絡(luò)調(diào)度者需要判斷是否存在足夠的帶寬資源可以馬上建立電路傳輸數(shù)據(jù)，是否需要暫存業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，暫存的數(shù)據(jù)將在何時經(jīng)由哪條路徑傳送至目的節(jié)點，需要占用的帶寬大小和傳輸時間等問題[5]。這些決策要求調(diào)度者充分了解未來時刻的網(wǎng)絡(luò)帶寬使用狀態(tài)，并為暫存的業(yè)務(wù)提前預約未來時刻將要占用的帶寬資源。除此以外，當調(diào)度者在未來時刻的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)中查找路徑時，需要同時兼顧各條鏈路上的帶寬資源和各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點存儲資源在多個未來時刻的使用情況。這極大地增加了存儲輔助的電路交換網(wǎng)絡(luò)的控制復雜度。時移多層圖[5]可以有效地應(yīng)對這些情況。以下介紹時移多層圖的構(gòu)成和更新演變過程。

（1）時移多層圖的構(gòu)成

時移多層圖由一系列離散時間點上的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)快照組成。在時移多層圖中，每一層都是一個時間點上的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)快照，隨著網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的更新不斷生長。當前時刻的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)快照記錄在時移多層圖的最上層，下面的層中記錄的是未來時刻的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。層與層之間由代表存儲使用狀態(tài)的時域鏈路相連。圖1是一個3層的時移多層圖示例。

圖1 時移多層圖示例

時移多層圖統(tǒng)一了時間維度和空間維度的調(diào)度過程，在時移多層圖中使用傳統(tǒng)的路由策略（比如最短路徑算法），不僅可以像通常在網(wǎng)絡(luò)的多個節(jié)點之間尋找通路，而且可以兼顧多個時刻的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。通過一次路由算法，可以在多個層之間找到所需的傳輸路徑。

如圖2所示，新到業(yè)務(wù)請求從節(jié)點1到節(jié)點6傳輸數(shù)據(jù)。但是，在時移多層圖的最上層找不到一條帶寬資源足夠的可用路徑。這意味著當前時刻無法建立電路并傳輸數(shù)據(jù)。在時移多層圖的所有層中使用最短路徑算法后，可以找到一條經(jīng)過3個層的通路，如圖2中黑色虛線所示。業(yè)務(wù)的傳輸將在第三層圖對應(yīng)的時刻完成。存儲資源和帶寬資源統(tǒng)一對待，傳統(tǒng)的最短路徑算法即可完成該過程。

在時移多層圖中為業(yè)務(wù)查找可用路徑時，計算復雜度會隨著層數(shù)的變多而增大。在實際應(yīng)用時，可以按照網(wǎng)絡(luò)對阻塞率的要求和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的計算能力，合理限制查找路徑的最大層數(shù)，從而獲取網(wǎng)絡(luò)性能和計算復雜度的折中[11]。

（2）時移多層圖的更新演變

在存儲網(wǎng)絡(luò)中，業(yè)務(wù)的到達或離開會導致網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化，從而使時移多層圖更新[10]。當新業(yè)務(wù)請求到達網(wǎng)絡(luò)時，網(wǎng)絡(luò)調(diào)度者首先根據(jù)當前時刻的時移多層圖為該業(yè)務(wù)查找當前或未來時刻可用的傳輸路徑，并在找到后更新時移多層圖，從對應(yīng)時刻的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)中減去被占用的帶寬資源和存儲資源。當有業(yè)務(wù)完成傳輸時，該業(yè)務(wù)占用的帶寬資源和存儲資源被歸還到時移多層圖中對應(yīng)時刻的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)中。存儲資源的使用情況和帶寬資源的使用情況在時移多層圖中得到了統(tǒng)一更新和管理[5,11]。

圖2 使用時移多層圖為業(yè)務(wù)選路

4 突發(fā)業(yè)務(wù)模型

突發(fā)業(yè)務(wù)廣泛存在于當前時代的互聯(lián)網(wǎng)中，其顯著特性是業(yè)務(wù)傳輸請求到達網(wǎng)絡(luò)的速率隨時間的變化而隨機變化。研究網(wǎng)絡(luò)中的突發(fā)業(yè)務(wù)時，可以用多種模型對突發(fā)業(yè)務(wù)建模[6,7,13-15]。利用馬爾可夫調(diào)制的泊松過程（Markov-modulated Poisson process，MMPP）為突發(fā)業(yè)務(wù)建?？梢詼蚀_地描述并記錄突發(fā)業(yè)務(wù)隨時間變化的到達速率[13]。實際應(yīng)用中，通常使用只有兩個狀態(tài)的一階馬爾可夫過程來調(diào)制突發(fā)業(yè)務(wù)的到達速率狀態(tài)，即on-off過程。on狀態(tài)下業(yè)務(wù)以較高的速率到達網(wǎng)絡(luò)，off狀態(tài)下業(yè)務(wù)的到達速率為零。本文采用上述馬爾可夫調(diào)制的on-off過程對突發(fā)業(yè)務(wù)建模。

不同研究環(huán)境中的突發(fā)度的定義并不相同，但都應(yīng)從統(tǒng)計概念的角度表示出突發(fā)階段和突發(fā)間隔階段業(yè)務(wù)強度的差異。在馬爾可夫調(diào)制的on-off過程中，on階段為突發(fā)區(qū)間，持續(xù)時間服從均值為θon的指數(shù)分布；off區(qū)間為突發(fā)間隔區(qū)間，持續(xù)時間服從均值為θoff的指數(shù)分布。

定義突發(fā)度為on區(qū)間占空比的倒數(shù)，即(θon+θoff)/θon。在off區(qū)間，業(yè)務(wù)的到達率為0。為了保證突發(fā)度不同時的平均業(yè)務(wù)負載不變，突發(fā)區(qū)間的業(yè)務(wù)負載應(yīng)調(diào)整為突發(fā)度乘以平均業(yè)務(wù)負載。例如，突發(fā)度為2表示θon=θoff，即突發(fā)區(qū)間和突發(fā)間隔區(qū)間的平均長度相同，且突發(fā)區(qū)間的業(yè)務(wù)負載為平均業(yè)務(wù)負載的2倍；突發(fā)度為1表示off區(qū)間的持續(xù)時間為0，即業(yè)務(wù)沒有突發(fā)性。

圖3是突發(fā)度為1和5時，在1 000個單位的仿真時間內(nèi)隨機生成的平均負載相同的業(yè)務(wù)分布示意。通過對比可以看出，隨著突發(fā)度的增大，突發(fā)區(qū)間的持續(xù)時間減少，突發(fā)間隔的持續(xù)時間增大；在突發(fā)區(qū)間，業(yè)務(wù)強度變大。

5 結(jié)果與分析

針對14個節(jié)點的NSFNet進行研究。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)的每個節(jié)點都裝備存儲資源。網(wǎng)絡(luò)每條鏈路為雙向鏈路，每個方向上各有一個波長。表征平均業(yè)務(wù)負載大小的單位為Erl，其值為業(yè)務(wù)的平均到達率（單位時間到達網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)數(shù)量均值）和平均服務(wù)率（單位時間網(wǎng)絡(luò)可以傳輸完成的業(yè)務(wù)數(shù)量均值）的比值。存儲容量為業(yè)務(wù)平均負載為1 Erl時，單位時間內(nèi)到達的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的平均大小歸一化的無量綱單位。在上述前提下，從以下3個方面研究了突發(fā)業(yè)務(wù)在存儲輔助光交換網(wǎng)絡(luò)中的傳輸。

（1）業(yè)務(wù)突發(fā)性對網(wǎng)絡(luò)性能的影響

圖3 突發(fā)度為1和5時的業(yè)務(wù)分布對比

圖4 突發(fā)度對網(wǎng)絡(luò)性能的影響

筆者研究了在傳統(tǒng)的無存儲電路交換網(wǎng)絡(luò)中，突發(fā)業(yè)務(wù)是如何影響網(wǎng)絡(luò)性能的。圖4為平均業(yè)務(wù)負載為1～5 Erl時，在不同突發(fā)度下網(wǎng)絡(luò)阻塞率的變化趨勢。從圖4可以看出，突發(fā)業(yè)務(wù)在不同的負載下對網(wǎng)絡(luò)性能都有較大的影響，即使在較輕的負載（如1 Erl）下，當突發(fā)度從1變?yōu)?時，業(yè)務(wù)的突發(fā)性使得阻塞率提高了接近10倍。

（2）引入存儲對網(wǎng)絡(luò)阻塞率的影響

存儲的作用是可以暫存突發(fā)業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)空閑時錯峰傳輸，從而降低網(wǎng)絡(luò)的阻塞率。筆者研究了幾種業(yè)務(wù)負載和突發(fā)度下，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上的存儲容量對網(wǎng)絡(luò)性能的影響，如圖5所示?？梢钥闯觯S著存儲的從無到有，從小到大，阻塞率逐漸降低，網(wǎng)絡(luò)性能逐漸改善。這種改善的效果對于重的負載更為明顯。因此，引入存儲可以有效地平滑突發(fā)業(yè)務(wù)，降低網(wǎng)絡(luò)的阻塞率。

圖5 引入存儲對網(wǎng)絡(luò)阻塞率的影響

（3）存儲容量與業(yè)務(wù)突發(fā)度的關(guān)系

筆者研究了在業(yè)務(wù)的平均負載分別為2 Erl和3 Erl時，為了使阻塞率小于10%而需在節(jié)點上配備的存儲容量大小。突發(fā)度的增高使得突發(fā)業(yè)務(wù)的到達更加集中，需要更多的存儲來暫存業(yè)務(wù)以保證網(wǎng)絡(luò)性能。從圖6可以看出，在固定負載下，為使網(wǎng)絡(luò)阻塞率達到一定的標準（＜10%），所需的存儲容量隨著業(yè)務(wù)平均負載和突發(fā)度的增大而增大。在一定的負載范圍內(nèi)，二者之間的關(guān)系近似于線性關(guān)系。

圖6 使阻塞率小于10%所需存儲容量與突發(fā)度的關(guān)系

6 結(jié)束語

在大數(shù)據(jù)傳輸場景中，電路交換網(wǎng)絡(luò)能提供保證服務(wù)質(zhì)量的帶寬資源，并且控制開銷更低。引入存儲暫存“時延不敏感”的大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)至網(wǎng)絡(luò)空閑時錯峰傳輸，可以緩解電路交換在應(yīng)對突發(fā)性業(yè)務(wù)時靈活性的問題。

本文基于時移多層圖研究了突發(fā)業(yè)務(wù)的突發(fā)度對存儲輔助電路交換網(wǎng)絡(luò)的影響以及不同大小的存儲容量在不同突發(fā)度情況下，對網(wǎng)絡(luò)性能的改善程度。仿真結(jié)果顯示：突發(fā)業(yè)務(wù)對電路交換網(wǎng)絡(luò)性能的影響顯著，即使在業(yè)務(wù)負載較輕時，突發(fā)度對阻塞率的影響仍然很高，網(wǎng)絡(luò)性能惡化嚴重；引入存儲后，存儲網(wǎng)絡(luò)在傳輸業(yè)務(wù)負載和突發(fā)度不同時的性能均有所改善，對重負載業(yè)務(wù)的改善程度更大；在特定的網(wǎng)絡(luò)負載下，隨著突發(fā)度的增加，網(wǎng)絡(luò)為了維持一定的性能，所需的存儲資源也在加大，在一定的負載范圍內(nèi)，兩者之間近似于線性關(guān)系。

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Transmission of burst bulk data in optical
circuit-switched networks with assistive storage

LI Chao, LIN Xiao, SUN Weiqiang, HU Weisheng

Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

With coarse switching granularity, circuit switching suffers from high blocking probability, especially when the traffic is bursty. How massive intermediate storage may alleviate traffic blocking in OCS（coptical circuit switching）networks was studied. The relationship between the storage capacity and the traffic burst was introduced, and the improvement of the network performance was verified by the simulation results. The results suggest that burstiness in traffic is indeed harmful to the OCS blocking performance, and can be effectively handled with massive intermediate storage. It also indicates that with different levels of storage support, the network may exhibit different levels of burst smoothing functions and achieve different blocking performance.

big data transmission, assistive storage, burst traffic, optical circuit switching

TN915.02

A

10.11959/j.issn.2096-0271.2016041

李超（1988-），男，上海交通大學碩士生，主要研究方向為大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。

林霄（1988-），男，上海交通大學博士生，主要研究方向為大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。

孫衛(wèi)強（1976-），男，博士，上海交通大學教授、博士生導師，主要研究方向為大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、信息通信網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)性能評估等。

胡衛(wèi)生（1964-），男，博士，上海交通大學教授、博士生導師，國家杰出青年基金獲得者，主要研究方向為下一代光接入網(wǎng)、光交換、光網(wǎng)絡(luò)等。

2016-06-20

國家自然科學基金資助項目（No.61433009, No.61271217, No. 61471238）

Foundation Items:The National Natural Science Foundation of China(No.61433009, No.61271217, No. 61471238)