數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中自適應(yīng)流量分配方案研究

吳杰+徐昌彪

摘要：數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的長(zhǎng)數(shù)據(jù)流對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量的貢獻(xiàn)很大，但是數(shù)量較少，因而容易產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)擁塞，影響網(wǎng)絡(luò)性能。為改善這一狀況，提出一種基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Definition Network，SDN）的多路徑自適應(yīng)流量分配方案。該方案利用SDN控制器的全局特性，計(jì)算長(zhǎng)數(shù)據(jù)流的多條可用路徑及其權(quán)值，并根據(jù)鏈路狀態(tài)更新路徑權(quán)值，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)數(shù)據(jù)流的動(dòng)態(tài)分配。仿真結(jié)果表明，與單路徑方案相比，長(zhǎng)數(shù)據(jù)流的吞吐量提升了28%，平均時(shí)延降低了16%；與等價(jià)多路徑方案相比，長(zhǎng)數(shù)據(jù)流的吞吐量提升了7%，平均時(shí)延降低了5%。相比于已有方案，該方案在提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量與降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延方面都表現(xiàn)更好。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)；自適應(yīng)流量分配；路徑全值；動(dòng)態(tài)分配

DOIDOI：10.11907/rjdk.173235

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：1672-7800（2018）001-0179-05

Abstract：The long data flow in the network of data center contributes a lot to network capacity， but often leads to network congestion and damages network performance since it is less in quantity. In order to improve such condition， a multi-path adaptive flow allocation scheme based on software defined network is proposed. Depending on the global features of SDN controllers， it calculates multiple potential paths of a long data flow and their weights， and updates path weights with respect to link states for the purpose of dynamic allocation of long data flow. Simulations show that compared with the single path scheme， the throughput of long data stream is increased by 28%， and the average delay is reduced by 16%； compared with the equivalent multipath scheme， the throughput of long data stream is increased by 7% and the average delay is reduced by 5%. The program performs better in terms of network throughput enhancement and network delay decrease than existing programs.

Key Words：the network of data center； adaptive flow allocation； path weights； dynamic allocation

0引言

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)是數(shù)據(jù)傳輸、計(jì)算和存儲(chǔ)的中心，集中了各種軟硬件資源和關(guān)鍵核心業(yè)務(wù)，如Web服務(wù)、搜索引擎、MapReduce大規(guī)模集群計(jì)算等[1-4]。隨著這些業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)有TCP/IP數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的性能瓶頸日益凸顯。軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Definition Network，SDN）是一種全新的網(wǎng)絡(luò)范式，其將數(shù)據(jù)平面與控制平面相耦合，實(shí)現(xiàn)邏輯集中控制。SDN具有網(wǎng)絡(luò)管理簡(jiǎn)單靈活、可編程、虛擬化等優(yōu)點(diǎn)，因此越來(lái)越多地被應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)[5-8]。

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)存在顯著的長(zhǎng)短流特征。文獻(xiàn)[9]對(duì)6 000臺(tái)服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)一個(gè)月150TB的數(shù)據(jù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后發(fā)現(xiàn)，不到20%的長(zhǎng)流貢獻(xiàn)超過(guò)80%的網(wǎng)絡(luò)流量。無(wú)獨(dú)有偶，文獻(xiàn)[10]也觀察到類(lèi)似結(jié)論，指出約90%的網(wǎng)絡(luò)流量由長(zhǎng)流產(chǎn)生。長(zhǎng)流通常由數(shù)據(jù)備份、虛擬機(jī)遷移、數(shù)據(jù)挖掘等產(chǎn)生，大小一般在1M以上，對(duì)吞吐量敏感。目前，在SDN架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中提高長(zhǎng)流吞吐量、改善網(wǎng)絡(luò)擁塞方面，已取得了一些研究成果。文獻(xiàn)[11]提出了一種顯示擁塞通告（ECN）機(jī)制，它在保證短流時(shí)延性能的情況下，可改善長(zhǎng)流吞吐量。該機(jī)制利用

SDN控制器的全局特性，獲取全網(wǎng)拓?fù)?、鏈路狀態(tài)、長(zhǎng)短流比值等信息，動(dòng)態(tài)設(shè)置瓶頸鏈路的ECN門(mén)限值，從而控制發(fā)送端的發(fā)送速率。仿真結(jié)果表明，與DCTCP相比，ECN機(jī)制使長(zhǎng)流吞吐量提高了12%；文獻(xiàn)[12]定義鏈路容量使用率大于85%的鏈路為擁塞鏈路，為改善網(wǎng)絡(luò)擁塞及提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，提出一種基于端到端的重路由方案。利用SDN控制器中的路由引擎模塊周期性地監(jiān)測(cè)全網(wǎng)鏈路，發(fā)現(xiàn)擁塞鏈路時(shí)，將鏈路上的長(zhǎng)流重路由到負(fù)載最小的路徑。除鏈路擁塞外，鏈路錯(cuò)誤也會(huì)觸發(fā)重路由。因此，重路由方案有效改善了網(wǎng)絡(luò)擁塞，提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量及網(wǎng)絡(luò)安全性。數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的源、目的節(jié)點(diǎn)間有多條路徑，為了有效利用鏈路資源，文獻(xiàn)[13]提出了等價(jià)多路徑（ECMP）的流調(diào)度方案。該方案在終端檢測(cè)并標(biāo)識(shí)長(zhǎng)流，然后控制器識(shí)別長(zhǎng)流、計(jì)算等價(jià)多路徑并將其下發(fā)至相應(yīng)交換機(jī)，最后將長(zhǎng)流數(shù)據(jù)包調(diào)度到多條路徑上傳輸。

文獻(xiàn)[11]提出的ECN機(jī)制緩解了網(wǎng)絡(luò)擁塞，但未對(duì)鏈路資源進(jìn)行再分配，因此長(zhǎng)流吞吐量的改善有限；文獻(xiàn)[12]的端到端重路由方案，將擁塞鏈路上的長(zhǎng)流重路由到一條負(fù)載較小的路徑，即鏈路資源再分配，然而該方式?jīng)]有充分利用數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的剩余帶寬；文獻(xiàn)[13]的ECMP方案將長(zhǎng)流均衡地分配到多條可用路徑上傳輸，有效提高了長(zhǎng)流吞吐量，但該方案沒(méi)有考慮到不同路徑的負(fù)載能力，可能存在丟包情況。針對(duì)當(dāng)前方案中存在的不足，本文充分利用網(wǎng)絡(luò)鏈路可用帶寬并考慮不同路徑的負(fù)載能力，設(shè)計(jì)了基于SDN的多路徑自適應(yīng)流量分配方案。該方案利用SDN控制器的全局特性，計(jì)算長(zhǎng)流的多條可用路徑及其權(quán)值，并根據(jù)鏈路狀態(tài)變化及時(shí)更新路徑權(quán)值，以實(shí)現(xiàn)流量動(dòng)態(tài)分配。endprint