基于最小接入保證帶寬的數據中心網絡帶寬分配機制

蔡岳平，張文鵬，羅 森

(重慶大學 通信工程學院，重慶 400044) (*通信作者電子郵箱caiyueping@cqu.edu.cn)

基于最小接入保證帶寬的數據中心網絡帶寬分配機制

蔡岳平*，張文鵬，羅 森

(重慶大學 通信工程學院，重慶 400044) (*通信作者電子郵箱caiyueping@cqu.edu.cn)

針對云計算數據中心(DC)網絡中多租戶間易相互干擾導致應用性能不可預測，預留帶寬資源難以保證高網絡利用率，從而導致云網絡供應商收益損失等問題，提出了基于最小接入保證帶寬的數據中心網絡帶寬分配(MAGBA)機制。MAGBA機制在發送端通過加權公平隊列調度租戶虛擬機(VM)流量，在接收端基于檢測到的接收速率調節TCP流接收窗口，從而為租戶VM提供最小接入保證帶寬，同時充分利用閑置帶寬資源。通過NS2平臺仿真，MAGBA機制相比靜態資源預留方式能夠靈活分配帶寬資源，網絡吞吐量提升25%。當某些租戶產生大量TCP流時，MAGBA機制中其他租戶分得的帶寬高于現有基于TCP流的帶寬分配機制。仿真結果表明，MAGBA機制能夠為租戶VM提供最小接入帶寬保證，避免租戶應用受到其他租戶通信模式的干擾。

云計算；數據中心網絡;多租戶;資源共享;帶寬分配;性能隔離

0 引言

云計算[1]以虛擬化的方式實現了對資源的統計復用，云用戶可以通過網絡隨時隨地按需訪問可配置資源池中的計算、網絡、存儲、軟件等資源。數據中心(Data Center, DC)主要由大量服務器、存儲設備、網絡設備(交換機、路由器和電纜)以及配電系統和冷卻系統組成。而作為通信基礎設施的數據中心網絡(Data Center Network, DCN)是數據中心內互連大規模服務器實現大型分布式計算的網絡，用于數據中心內服務器間大量數據的傳輸和交換。作為云計算的基礎設施和解決云計算海量數據傳輸與交換的關鍵網絡，數據中心網絡已成為各界關注和研究的熱點[2]。

數據中心作為云計算的重要基礎設施，租戶在共享的環境中部署各自的云應用。不同于CPU(Central Processing Unit)、內存等資源固定存在每一臺服務器之中，分布式的網絡資源被使用同一路徑或者鏈路的租戶所共享，在缺乏合理帶寬分配機制的情況下，網絡性能變化和租戶間干擾將會頻繁發生，導致租戶應用性能不可預測，最終影響云租戶和云網絡供應商的收益。對于網絡的參與者，為了實現規模經濟降低成本，云網絡供應商希望最大化地增加網絡中租戶的數量，提高網絡利用率[3]；而另一方面，云租戶希望自己的云應用可以獲得保證帶寬，從而實現對業務性能的可預測性，因此云網絡供應商需要負責在云環境中部署性能隔離機制為租戶提供保證帶寬，但是這反過來又可能限制網絡利用率。在設計數據中心網絡帶寬分配機制時往往需要在實現高網絡利用率和提供保證帶寬之間進行權衡。

當前數據中心網絡依然在很大程度上依賴于傳統的TCP/IP協議棧，這導致了網絡缺乏靈活性來支持云環境中的各種云應用[4]。TCP(Transmission Control Protocol)雖然易于廣泛地分布式部署并且有較高的網絡利用率，但是TCP基于流級別的公平性無法為租戶提供嚴格的性能隔離。惡意租戶或者設計不佳的應用程序通過打開大量TCP流的方式來獲取更大的網絡帶寬。

本文提出了基于最小接入保證帶寬的數據中心網絡帶寬分配(Minimum Access Guaranteed Bandwidth Allocation, MAGBA)機制。MAGBA機制在接入鏈路實施帶寬分配管理，在發送端服務器中利用加權公平隊列(Weighted Fair Queuing, WFQ)對所有虛擬機(Virtual Machine, VM)的流量進行調度，在接收端服務器中檢測接收速率，調節TCP流接收窗口，反饋限制UDP流傳輸，從而為租戶VM提供最小接入保證帶寬，同時充分利用閑置帶寬資源。

1 研究現狀

針對多租戶數據中心網絡帶寬分配問題，研究人員提出的解決方案可以分為兩個類型：一種是基于預留分配方式(reservation allocation based)，典型代表方案為SecondNet[5]和Oktopus[6];另一種是基于競爭共享方式(competition sharing based)，典型代表方案為Seawall[7]和Netshare[8]。

1.1 預留分配方式

基于預留分配的方式為租戶抽象了帶寬請求模型，根據租戶請求，將租戶虛擬機部署于合適的網絡區域并且在hypervisor中實施速率限制，避免了租戶應用受所共享網絡中其他租戶應用流量模式、帶寬需求等因素的影響，從而提供了較好的網絡性能隔離。

SecondNet[5]該架構提出以虛擬數據中心(Virtual Data Center, VDC)作為網絡資源分配的基本單位。SecondNet是管道模型(pipe model)的典型代表，為租戶所有虛擬機對之間的通信提供端到端的帶寬保證。該架構對不同服務質量要求的應用進行了三種服務類型的劃分，分別為虛擬機對之間具有嚴格帶寬保證的type- 0模式、best-effort模式以及介于兩者之間具有最后一跳保證(ingress/egress guarantee)的type- 1模式。

Oktopus[6]該架構主要關注應用性能可預測性，提出了以虛擬網絡(virtual network)的方式來解決多租戶數據中心網絡中租戶應用的帶寬需求和網絡供應商供給之間不匹配的問題。Oktopus基于hose model[9]提出了兩個抽象模型，虛擬集群(Virtual Cluster, VC)和虛擬超額訂購集群(Virtual Oversubscribe Cluster, VOC)，分別適合于具有數據密集型應用(例如MapReduce[10])和非數據密集型應用的租戶。

但是基于預留分配機制也有著明顯的缺點：一旦租戶對帶寬的需求低于所分配的帶寬，就會造成網絡帶寬資源的浪費從而降低網絡利用率；其次，租戶往往很難明確定義所部署的應用對于網絡帶寬資源的準確需求情況，這使得租戶所需帶寬難以與所分配的帶寬理想匹配。上訴原因導致了靜態預留分配的方式缺乏靈活性。

1.2 競爭共享方式

基于競爭共享的方式將流級別(flow-level)的競爭擴展到虛擬機級別(VM-level)或者租戶級別(tenant-level)。參與網絡帶寬分配的實體之間基于所分配的權重進行競爭。該方式能夠充分利用網絡帶寬資源，在保持較高網絡利用率的同時，能夠靈活地確保需求更大或者優先級更高的應用可以分配到更多的網絡帶寬資源。

Seawall[7]該機制的核心思想是在多租戶數據中心網絡中，將網絡帶寬資源分配從傳統基于TCP流級別的最大最小公平共享方式變更實現為在租戶VM之間的加權最大最小公平共享。Seawall通過擁塞控制隧道(congestion controlled tunnel)實現該服務器下所有VM對網絡帶寬資源的加權公平共享，從而避免了惡意租戶通過多打開TCP流或者使用UDP流來搶占更多網絡帶寬干擾其他租戶應用性能的情形。此外Seawall使用了一個控制回環(control loop)來匯集來自多個目的端的反饋信息，來避免租戶VM通過一對多通信模式與多個VM通信的方式從而獲得更多帶寬的情形。

Netshare[8]該機制實現了租戶應用對網絡帶寬資源的分級加權公平共享(hierarchical weighted max-min fair sharing)。網絡管理者為每一租戶分配權重值，用于競爭共享瓶頸鏈路帶寬資源。而租戶基于權重值所分配的帶寬資源，再一次在該租戶多個TCP流之間公平共享。

但是基于競爭共享方式的缺點主要是無法為租戶提供嚴格的帶寬保證，租戶應用仍然可能因受到網絡中其他租戶數量和權重的影響，從而使得性能難以預測。此外，GateKeeper[11]和ElasticSwitch[12]等機制為租戶VM提供了最小保證帶寬，并且允許租戶使用額外空閑帶寬資源，從而提供了更加靈活的網絡帶寬分配策略。

2 MAGBA機制

本章對MAGBA的工作機制進行詳細介紹。MAGBA的核心思想是在接入鏈路實施帶寬分配管理，通過發送端的加權公平隊列調度和接收端的速率檢測與調節機制，為租戶VM提供最小接入保證帶寬，同時充分利用閑置帶寬資源。

2.1 最小接入保證帶寬模型

首先，近年來研究人員提出的新型數據中心網絡體系結構，如Fat-Tree[13]、VL2[14]等均構建了高等分帶寬(high bisection bandwidth)網絡拓撲；其次，在廣泛使用的等價多路徑轉發(Equal-Cost Multipath Routing, ECMP)算法[15]基礎上，Hedera[16]、MicroTE[17]、MPTCP[18]等機制能夠更加充分利用網絡多路徑，均衡分布網絡流量；最后，數據中心網絡邊緣相對于核心層更容易發生持續性擁塞。

MAGBA機制在網絡邊緣的接入鏈路進行帶寬分配。對于租戶而言，在邏輯上，其VM均以具有最小保證帶寬的方式通過接入鏈路連接至一臺無阻塞交換機上，如圖1所示。根據租戶服務等級要求(Service-Level Agreement, SLA)實現租戶VM到物理服務器映射過程不屬于本文的討論范圍，本文假設接入鏈路帶寬能夠滿足對應服務器下所有租戶VM的最小保證帶寬之和。

圖1 最小接入保證帶寬模型

2.2 核心功能

MAGBA機制在發送端服務器中利用加權公平隊列WFQ對所有VM的流量進行調度，在接收端服務器中檢測接收速率，調節TCP流接收窗口，反饋限制UDP流傳輸。MAGBA機制核心功能模塊，如圖2所示。

圖2 MAGBA機制核心功能模塊

發送端模塊 由于租戶VM產生的流量可能直接在發送端對應的接入鏈路對網絡帶寬資源進行競爭，造成租戶VM所分配的網絡帶寬受到其他租戶VM通信過程中，協議選擇、帶寬需求、通信模式等因素的影響，因此MAGBA機制在發送端使用加權公平隊列(Weighted Fair Queuing, WFQ)對租戶VM流量進行調度，其中VM權重值對應最小接入保證帶寬。此外，在發送端的流量過濾模塊(Filter)功能是負責限制非響應UDP流量的傳輸。租戶VM產生的流量在進入調度隊列前首先進入對應的流量過濾模塊，當流量過濾模塊收到某一接收端的速率限制反饋信息后將丟棄發往該接收端的UDP數據包，直到收到該接收端的限制解除信息。

接收端模塊 數據中心網絡廣泛部署的具有多對一通信模式應用以及利用發送端閑置鏈路帶寬資源進行數據傳輸的應用均可能造成在接收端發生競爭，導致部分租戶VM無法實現最小接入保證帶寬。MAGBA機制首先在接收端部署速率檢測模塊(Rate Meter Module)，在周期時間T內統計流入接收端總的數據量，計算出接收速率RT。其次，MAGBA在接收端設置閾值RK，作為接收端是否進行速率限制的標志。當接收速率RT小于閾值RK時表明接收端鏈路帶寬資源未被充分利用，此時無需對租戶VM進行速率限制，從而保證需求較大的租戶VM可以充分利用閑置帶寬資源；而當接收速率RT大于閾值RK時表明接收端將可能出現對帶寬的競爭現象，需要對部分租戶VM進行速率限制，從而實現最小接入保證帶寬。閾值RK的設置需要權衡實現高網絡利用率和最小接入保證帶寬快速收斂，閾值RK設置的值越大，網絡利用率越高，但是控制VM發送速率使其收斂于最小接入保證帶寬的速度越慢。為了進行速率限制，速率檢測模塊還需要在周期時間T內計算出每一臺VM對應的接收速率Rm以及TCP流總的接收速率Rm_tcp。當總的接收速率RT大于閾值RK時，MAGBA機制選擇接收速率Rm大于其對應最小接入保證帶寬Bmin的VM進行速率限制，速率檢測模塊通知速率調節模塊(Rate Adjust)，速率調節模塊向該VM所有通信對端的流量過濾模塊發送反饋信息，限制UDP流傳輸，直到總的接收速率RT小于閾值RK后發送限制解除信息。對于該VM當前TCP流，速率調節模塊修改確認(ACKnowledgement, ACK)包中的接收窗口值，公式為：

(1)

算法1 接收端速率調節算法。

輸入：Bmin={B1,B2,…,Bm}，表示VM最小接入保證帶寬集合；V={V1,V2,…,Vm}，表示接收端VM集合；RK為閾值接收速率；T為速率檢測周期。 輸出：F={F1,F2,…,Fm}，表示接收端VM所屬TCP流窗口調節系數。

1)

RT←GetRECVRate(T)； //獲取接收端周期T內總的接收速率

2)

FOR(i=1;i<=VM_NUM;i++)

3)

VM_Total_rate[i]←GetTotalRate(i,T);

4)

VM_TCP_rate[i]←GetTCPRate(i,T);

5)

END FOR

//獲取接收端每一臺VM總的接收速率和

//其中TCP流的接收速率

6)

IF (RT

7)

FOR(i=1;i<=VM_NUM;i++)

8)

Fi=1；

9)

END FOR

//當總的接收速率小于閾值時，不進行速率調節保證

//高網絡利用率

10)

ELSE

11)

FOR (i=1;i<=VM_NUM;i++)

12)

IF (VM_Total_rate[i]>Bi)THEN

13)

SendUDPPauseFeedback(i)；

14)

Fi=Min(1,Bi/VM_TCP_rate[i])；

15)

ELSE

16)

Fi=1；

17)

END IF

18)

END FOR

//當總的接收速率大于閾值時，選擇接收速率

//大于其對應最小接入保證帶寬的VM進行速率調節

19)

END IF

20)

RETURNF；

分析此算法可知其時間復雜度和空間復雜度均為線性階，并且算法以分布式機制實現于每一臺服務器中，因此有利于網絡的可擴展性，避免了通過網絡維護大量流狀態信息從而導致對網絡規模擴展的限制。

當前數據中心網絡大量采用TCP協議進行數據傳輸，數據網絡中99.91%的流量是TCP流量[19]，因此當帶寬資源不足時，MAGBA機制主要基于最小接入保證帶寬值Bmin調節TCP流接收窗口，并在短時間內限制數量較少的非響應式UDP流傳輸，實現接收端的帶寬分配管理。直接在接收端修改TCP接收窗口可以避免在發送端動態創建多個速率限制器，有利于控制服務器資源開銷。

3 仿真結果與分析

仿真實驗使用NS2(Network Simulation version 2)仿真軟件進行，NS2是一個面向對象的、離散事件驅動的網絡仿真工具。仿真實驗主要展示相對于在無控制機制下直接使用TCP流進行數據傳輸的情況，MAGBA機制在實現租戶間性能隔離的優勢。

在仿真實驗過程中，設置所有的鏈路帶寬為1 Gb/s，時延為50 μs，對應數據中心高帶寬、低時延的網絡環境。仿真過程中直接將終端服務器節點連入同一交換機形成網絡拓撲，直觀地展示對接入鏈路帶寬分配工作的分析。主要的仿真實驗參數如表1所示。

表1 主要仿真參數

3.1 發送端鏈路最小接入保證帶寬

仿真實驗設置分別屬于租戶A和租戶B的一臺虛擬機共享同一發送端鏈路，而其對應接收端VM屬于不同接收端鏈路，來仿真多租戶共享發送端鏈路的情景。速率檢測周期T設置為1 ms，閾值RK設置為900 Mb/s，租戶VM最小接入保證帶寬Bmin均設置為450 Mb/s。租戶VM搭載FTP應用傳輸TCP流，其中租戶A使用一個TCP流進行數據傳輸，租戶B使用多個TCP進行數據傳輸。仿真結果如圖3所示。

圖3 多租戶共享發送端鏈路性能隔離

仿真結果表明，當發送端鏈路出現帶寬競爭時，在無性能隔離機制下直接使用TCP流進行傳輸的過程中，租戶A所分配的帶寬資源隨著租戶B使用的TCP流數量上升而減少。主要的原因在于TCP基于流級別的公平性無法為租戶提供嚴格的性能隔離，當惡意租戶或者設計不佳的應用程序打開大量TCP流進行數據傳輸時將獲得更多的網絡帶寬資源。MAGBA機制在發送端通過加權公平隊列進行調度，保證了租戶VM實現最小接入保證帶寬，當某一租戶VM使用大流TCP進行傳輸時，TCP流之間的競爭現象只發生在該VM對應帶寬份額內，不會影響其他正常租戶的數據傳輸。

3.2 接收端鏈路最小接入保證帶寬

該仿真實驗設置分別屬于租戶A和租戶B的一臺虛擬機共享同一接收端鏈路，而其對應發送端的多個VM屬于不同發送端鏈路，來仿真多租戶共享接收端鏈路的情景。主要仿真參數設置保持不變，速率檢測周期T設置為1 ms，閾值RK設置為900 Mb/s，其中租戶A的VM最小接入保證帶寬Bmin設置為600 Mb/s，租戶B的VM最小接入保證帶寬Bmin設置為300 Mb/s。租戶VM搭載FTP應用傳輸TCP流，其中租戶A虛擬機之間進行點對點通信，租戶B虛擬機之間進行多對一通信，并且多對一通信模式的發送端VM僅產生一個TCP流。仿真結果如圖4所示。

圖4 多租戶共享接收端鏈路性能隔離

仿真結果表明，當接收端鏈路出現帶寬競爭時，在無性能隔離機制下直接使用TCP流進行傳輸的過程中，租戶A所分配的帶寬資源隨著具有多對一通信模式租戶B使用的TCP流數量上升而減少。數據中心網絡廣泛部署的多對一通信模式應用可能在接收端造成帶寬資源分配不公平。MAGBA機制通檢測接收端總的接收速率和每一臺VM的接收速率判定是否需要進行速率調節：當帶寬資源不足時，通過控制TCP流接收窗口和限制UDP流的傳輸的方式實現租戶VM最小接入保證帶寬，避免租戶間應用性能干擾；當帶寬資源充足時，租戶VM可以獲得額外帶寬，提高吞吐量，實現高網絡利用率。

3.3 空閑鏈路帶寬資源共享

前兩部分對MAGBA機制為租戶間提供的隔離機制進行了仿真實驗，因此假設了所有租戶VM間一直存在大量待傳輸的數據，即對應無限制的帶寬需求。本部分仿真實驗關注鏈路帶寬資源的共享，即當某一租戶VM通信過程中，發送速率持續小于其最小接入保證帶寬時，共享鏈路的其他租戶VM可以使用空閑帶寬資源。實驗過程中，速率檢測周期T設置為1 ms，閾值RK設置為900 Mb/s，租戶VM最小接入保證帶寬Bmin均設置為450 Mb/s。租戶A與租戶B均使用一對VM搭載FTP應用使用一個TCP流進行數據傳輸，其中租戶A與租戶B虛擬機共享發送端鏈路，接收端VM分別屬于不同鏈路，租戶B以固定速率發送數據。仿真結果如圖5所示。

仿真結果表明，當租戶B所屬VM持續以小于其最小接入保證帶寬的速率傳輸數據時，對于靜態預留帶寬資源的分配方式，具有更大帶寬資源需求的租戶A所屬VM無法利用空閑的帶寬，導致了資源浪費，而MAGBA機制使得共享同一鏈路租戶VM能夠利用空閑鏈路帶寬資源，提高吞吐量。

4 結語

數據中心作為云計算的重要基礎設施，租戶在共享的環境中部署各自的云應用。多租戶間易相互干擾導致應用性能不可預測，而預留帶寬資源難以保證高網絡利用率導致云網絡供應商收益損失，本文提出了基于最小接入保證帶寬的數據中心網絡帶寬分配(MAGBA)機制。MAGBA機制在接入鏈路實施帶寬分配管理，在發送端服務器中利用加權公平隊列(WFQ)進行流量調度，在接收端服務器中檢測接收速率，調節TCP流接收窗口，從而為租戶VM提供最小接入保證帶寬，同時充分利用閑置帶寬資源。仿真實驗結果表明，MAGBA機制能夠分別在發送端和接收端為租戶VM提供最小接入保證帶寬，避免租戶應用受到其他租戶的干擾。

圖5 空閑鏈路帶寬資源共享

深入探討在更大規模網絡以及更加復雜的流量模型下，MAGBA機制在租戶VM間帶寬分配的情況和應用性能的影響將是下一階段的主要工作。

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This work is partially supported by the National Natural Science Foundation of China (61301119).

CAIYueping, born in 1980, Ph. D., associate professor. His research interests include cloud computing, data center network, optical network, content centric network, software defined network.

ZHANGWenpeng, born in 1992, M. S. candidate. His research interests include cloud computing, data center network.

LUOSen, born in 1993, M. S. candidate. His research interests include cloud computing, data center network.

Minimumaccessguaranteedbandwidthallocationmechanismindatacenternetwork

CAI Yueping*, ZHANG Wenpeng, LUO Sen

(CollegeofCommunicationEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China)

In Data Center Network (DCN), multiple tenants may interfere with each other, which leads to unpredictable application performance. Reserving bandwidth resources can hardly guarantee high network utilization, which may result in revenue loss of cloud providers. To address above problems, a Minimum Access Guaranteed Bandwidth Allocation (MAGBA) mechanism for data center networks was proposed. To provide the minimum bandwidth guarantee and make full use of idle bandwidth for tenants, the MAGBA scheduled traffic of Virtual Machine (VM) through Weighted Fairness Queuing at the sending side, and it adjusted TCP flow’s receiving window at the receiving side. Through simulations on NS2 (Network Simulation version 2) platform, compared with the static resource reservation method, MAGBA mechanism was more flexible in bandwidth allocation and it could improve the network throughput by 25%. When some tenants sent a lot of TCP flows, the other tenants in the MAGBA obtained higher bandwidth than that in the existing bandwidth allocation mechanism based on TCP flows. The simulation results show that the MAGBA mechanism can provide minimum access guaranteed bandwidth for VMs and it can avoid interferences from other tenants.

cloud computing; Data Center Network (DCN); multi-tenant; resource sharing; bandwidth allocation; performance isolation

TP393.071

:A

2017- 02- 20;

:2017- 04- 10。

國家自然科學基金資助項目(61301119)。

蔡岳平(1980—)，男，江蘇丹陽人，副教授，博士，CCF會員，主要研究方向：云計算、數據中心網絡、光網絡、內容中心網絡、軟件定義網絡； 張文鵬(1992—)，男，四川綿陽人，碩士研究生，主要研究方向：云計算、數據中心網絡； 羅森(1993—)，男，湖北武漢人，碩士研究生，主要研究方向：云計算、數據中心網絡。

1001- 9081(2017)07- 1825- 05

10.11772/j.issn.1001- 9081.2017.07.1825