數據中心網絡中自適應流量分配方案研究

吳杰+徐昌彪

摘要：數據中心網絡中的長數據流對網絡流量的貢獻很大，但是數量較少，因而容易產生網絡擁塞，影響網絡性能。為改善這一狀況，提出一種基于軟件定義網絡（Software Definition Network，SDN）的多路徑自適應流量分配方案。該方案利用SDN控制器的全局特性，計算長數據流的多條可用路徑及其權值，并根據鏈路狀態更新路徑權值，實現長數據流的動態分配。仿真結果表明，與單路徑方案相比，長數據流的吞吐量提升了28%，平均時延降低了16%；與等價多路徑方案相比，長數據流的吞吐量提升了7%，平均時延降低了5%。相比于已有方案，該方案在提高網絡吞吐量與降低網絡時延方面都表現更好。

關鍵詞：數據中心網絡；自適應流量分配；路徑全值；動態分配

DOIDOI：10.11907/rjdk.173235

中圖分類號：TP391

文獻標識碼：A文章編號文章編號：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

數據中心網絡是數據傳輸、計算和存儲的中心，集中了各種軟硬件資源和關鍵核心業務，如Web服務、搜索引擎、MapReduce大規模集群計算等[1-4]。隨著這些業務的迅速發展，現有TCP/IP數據中心網絡的性能瓶頸日益凸顯。軟件定義網絡（Software Definition Network，SDN）是一種全新的網絡范式，其將數據平面與控制平面相耦合，實現邏輯集中控制。SDN具有網絡管理簡單靈活、可編程、虛擬化等優點，因此越來越多地被應用于數據中心網絡[5-8]。

數據中心網絡存在顯著的長短流特征。文獻[9]對6 000臺服務器的數據中心網絡一個月150TB的數據量進行統計分析后發現，不到20%的長流貢獻超過80%的網絡流量。無獨有偶，文獻[10]也觀察到類似結論，指出約90%的網絡流量由長流產生。長流通常由數據備份、虛擬機遷移、數據挖掘等產生，大小一般在1M以上，對吞吐量敏感。目前，在SDN架構的數據中心網絡中提高長流吞吐量、改善網絡擁塞方面，已取得了一些研究成果。文獻[11]提出了一種顯示擁塞通告（ECN）機制，它在保證短流時延性能的情況下，可改善長流吞吐量。該機制利用

SDN控制器的全局特性，獲取全網拓撲、鏈路狀態、長短流比值等信息，動態設置瓶頸鏈路的ECN門限值，從而控制發送端的發送速率。仿真結果表明，與DCTCP相比，ECN機制使長流吞吐量提高了12%；文獻[12]定義鏈路容量使用率大于85%的鏈路為擁塞鏈路，為改善網絡擁塞及提高網絡吞吐量，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測全網鏈路，發現擁塞鏈路時，將鏈路上的長流重路由到負載最小的路徑。除鏈路擁塞外，鏈路錯誤也會觸發重路由。因此，重路由方案有效改善了網絡擁塞，提高了網絡吞吐量及網絡安全性。數據中心網絡中的源、目的節點間有多條路徑，為了有效利用鏈路資源，文獻[13]提出了等價多路徑（ECMP）的流調度方案。該方案在終端檢測并標識長流，然后控制器識別長流、計算等價多路徑并將其下發至相應交換機，最后將長流數據包調度到多條路徑上傳輸。

文獻[11]提出的ECN機制緩解了網絡擁塞，但未對鏈路資源進行再分配，因此長流吞吐量的改善有限；文獻[12]的端到端重路由方案，將擁塞鏈路上的長流重路由到一條負載較小的路徑，即鏈路資源再分配，然而該方式沒有充分利用數據中心網絡的剩余帶寬；文獻[13]的ECMP方案將長流均衡地分配到多條可用路徑上傳輸，有效提高了長流吞吐量，但該方案沒有考慮到不同路徑的負載能力，可能存在丟包情況。針對當前方案中存在的不足，本文充分利用網絡鏈路可用帶寬并考慮不同路徑的負載能力，設計了基于SDN的多路徑自適應流量分配方案。該方案利用SDN控制器的全局特性，計算長流的多條可用路徑及其權值，并根據鏈路狀態變化及時更新路徑權值，以實現流量動態分配。endprint