一种实用的数据中心网络主动式传输系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种实用的数据中心网络主动式传输系统，包括高优先级控制环路和低优先级控制环路；所述高优先级控制环路HCP，实现了使用DCTCP算法控制逻辑实现高优先级机会数据包控制；所述低优先级控制环路LCP，所述低优先级控制环路LCP，实现了接收端和发送端对流量中低优先级机会数据包的控制。与现有技术相比，本发明专利技术通过使用高、低优先级控制环路发送TCP/IP协议栈以外的低优先级机会数据包，有效地利用网络空闲带宽，从而提高吞吐量和降低流量完成时间(Flow Completion Time，FCT)；在提高数据中心网络传输性能同时降低部署成本。高数据中心网络传输性能同时降低部署成本。高数据中心网络传输性能同时降低部署成本。

【技术实现步骤摘要】
一种实用的数据中心网络主动式传输系统及方法


[0001]本专利技术属于数据中心网络传输领域，特别是涉及一种基于TCP/IP协议栈的数据中心网络主动式传输策略。

技术介绍

[0002]在过去十年中，数据中心网络中的链路速度从1Gbps或10Gbps快速稳定地增长到100Gbps。随着网络流量传输速率越来越快，往返时延(Round
‑
Trip Time，RTT)也越来越小。鉴于这种趋势，充分利用每个RTT中的可用容量对于数据中心网络传输保持低延迟和高吞吐量至关重要。但传统的数据中心网络传输策略如DCTCP、DCQCN和TIMELY，其本质上是反应式的，即对来自网络的拥塞信号(如ECN，延迟等)做出应并相应迭代更新发送速率。这些反应式的传输策略的收敛时间往往较长，需要多次往返才能收敛到正确的速率，往往导致性能不佳。
[0003]因此，主动式传输策略成为一种很有前景的替代方案，其中链路带宽由接收端或中央控制器以信用包的方式明确分配，发送端根据接收到信用包发送相应的数据，以主动预防拥塞来达到低延迟和高吞吐。经过大量验证，主动式传输策略可以保持相当低的丢包率和交换机缓存队列长度以及很好地适应于当高链路速高/低交换机缓存的数据中心网络。
[0004]然而，现有的主动式传输策略(如pHost、NDP、ExpressPass、Homa等)推翻了整个TCP/IP网络协议栈，并且可能需要可编程交换机的支持，使其难以在生产数据中心环境中部署，因而实用性低。例如，现有的主动式传输协议都基于用户态协议栈DPDK实现，导致与TCP套接字的现有应用程序(如键值存储，数据并行处理，机器学习等)不兼容。尽管Homa有基于Linux UDP的版本，可以兼容主机协议栈部分功能(如eBPF，Netfilter等)，但大部分原有网络组件需要重新设计，包括socket应用接口、softIRQ软件中断等。另外，NDP协议需要交换机支持削减有效载荷功能，但现有数据中心内常用的商用交换机所并不支持此功能。

技术实现思路

[0005]针对现有主动式传输策略实用性低的问题，本专利技术旨在提出一种实用的数据中心网络主动式传输系统，实现了基于商用交换机与传统TCP/IP协议栈且实用的主动式传输策略，在提高数据中心网络传输性能同时降低部署成本。
[0006]本专利技术利用以下技术方案实现：
[0007]一种实用的数据中心网络主动式传输系统，该系统包括高优先级控制环路和低优先级控制环路；其中：
[0008]所述高优先级控制环路HCP，实现了使用DCTCP算法控制逻辑实现高优先级机会数据包控制，具体包括以下操作：
[0009]由Socket从缓存的头部开始发送机会数据包，赋予机会数据包高优先级，进入交换机高优先级队列；
[0010]所述低优先级控制环路LCP，所述低优先级控制环路LCP，实现了接收端和发送端对流量中低优先级机会数据包的控制，具体包括以下操作：
[0011]由Socket从缓存的尾部开始发送机会数据包，赋予数据包低优先级，进入交换机低优先级队列，具体的控制算法包括间歇循环初始化和指数窗口缩减；所述间歇循环初始化为每当HCP循环留下的备用容量间歇性出现时，重新初始化一个LCP循环，计算一个机会数据包传输的初始窗口；所述指数窗口缩减为当LCP循环初始化时，对窗口采用指数递减策略，在每个往返时延RTT将机会数据包的发送速率降低一半，以恰好利用HCP循环在每个往返时延RTT中留下的空闲带宽。
[0012]所述间歇性循环初始化的控制算法进一步包括：
[0013]情况一：当一条流量开始发送时，进入DCTCP算法的慢启动阶段，此时从流量的初始窗口逐步爬升到收敛值；初始化的LCP循环内的初始窗口设置为一个带宽时延积，以最大化利用空余带宽；
[0014]情况二：当该流量结束慢启动阶段后，进入DCTCP算法的拥塞控制阶段，此时流量的拥塞窗口呈现锯齿状变化，交换机队列长度不断增长，直到机会数据包被丢弃；具体的，当低优先级队列大小超过标记阈值时，发送端将在一个往返时延RTT中接收拥塞信号ECN所标记的ACK，以削减其窗口大小以降低队列长度，此后队列长度会下降，被标记的ACK也越少，直到处于最低值，交换机缓冲区留出一部分未得到充分利用的空间，导致网络中带宽被浪费。
[0015]所述指数窗口缩减的控制算法进一步包括：
[0016]每个机会数据包进入交换机端口中的低优先级队列，如果低优先级队列占用率大于阈值，则在其到达时用拥塞信号ECN标记；在接收端实现LCP循环速率控制，即每当两个连续的机会数据包到达接收器时，接收端向发送端发送一个主动式传输策略的信用包；在接收到主动式传输策略的信用包时，由发送端发送机会数据包，在每个往返时延RTT之后，机会数据包的发送速率减少一半。
[0017]所述情况二中，在交换机队列长度最低时初始化拥塞控制阶段的LCP循环的初始窗口，窗口大小由DCTCP算法的窗口与参数的共同决定，LCP循环的初始窗口如下式所示：
[0018][0019]其中，W
max
为流量在传输过程中DCTCP的最大窗口，α
min
为接收到的ACK中被ECN标记的比例最小值。
[0020]与现有技术相比，本专利技术通过使用高、低优先级控制环路发送TCP/IP协议栈以外的低优先级机会数据包，有效地利用网络空闲带宽，从而提高吞吐量和降低流量完成时间(Flow Completion Time，FCT)。
附图说明
[0021]图1为本专利技术的一种实用的数据中心网络主动式传输系统及方法架构示意图。
[0022]图2为接收端实现流程图。
[0023]图3为发送端实现流程图。
[0024]图4为物理集群下本专利技术的平均延迟与吞吐量测试结果示意图。
[0025]图5为大规模仿真下本专利技术的平均延迟测试结果示意图。
[0026]图6为大规模仿真下本专利技术的吞吐量测试结果示意图。
具体实施方式
[0027]下面结合附图和具体实施例对本专利技术技术方案作进一步详细描述。对于本领域技术人员来说，凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
[0028]如图1所示，为本专利技术的一种实用的数据中心网络主动式传输系统架构示意图。该系统包括高优先级控制环路和低优先级控制环路。其中，所述高优先级控制环路(High Priority Control Loop，HCP)，实现了使用DCTCP算法控制逻辑实现高优先级机会数据包控制，具体包括以下操作：
[0029]由Socket从缓存的头部开始发送机会数据包，赋予机会数据包高优先级，进入交换机高优先级队列。由于DCTCP算法的窗口动态特性，HCP循环留下的备用容量间歇性出现。
[0030]所述低优先级控制环路(Low Priority Control Loop，LCP)，用于实现低优先级机会数据包控制，具体包括本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种实用的数据中心网络主动式传输系统，其特征在于，该系统包括高优先级控制环路和低优先级控制环路；其中：所述高优先级控制环路HCP，实现了使用DCTCP算法控制逻辑实现高优先级机会数据包控制，具体包括以下操作：由Socket从缓存的头部开始发送机会数据包，赋予机会数据包高优先级，进入交换机高优先级队列；所述低优先级控制环路LCP，实现了接收端和发送端对流量中低优先级机会数据包的控制，具体包括以下操作：由Socket从缓存的尾部开始发送机会数据包，赋予数据包低优先级，进入交换机低优先级队列，具体的控制算法包括间歇循环初始化和指数窗口缩减；所述间歇循环初始化为每当HCP循环留下的备用容量间歇性出现时，重新初始化一个LCP循环，计算一个机会数据包传输的初始窗口；所述指数窗口缩减为当LCP循环初始化时，对窗口采用指数递减策略，在每个往返时延RTT将机会数据包的发送速率降低一半，以恰好利用HCP循环在每个往返时延RTT中留下的空闲带宽。2.如权利要求1所述的一种实用的数据中心网络主动式传输系统，其特征在于，所述间歇性循环初始化的控制算法进一步包括：情况一：当一条流量开始发送时，进入DCTCP算法的慢启动阶段，此时从流量的初始窗口逐步爬升到收敛值；初始化的LCP循环内的初始窗口设置为一个带宽时延积，以最大化利用空余带宽；情况二：当该流量结束慢启动阶段后，进入DCTCP算法的拥塞控制阶段，此...

【专利技术属性】
技术研发人员：李克秋，何鑫，李文信，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：