基于云數(shù)據(jù)中心光交換調(diào)度與路由算法研究與實(shí)踐

羅華杰

摘要：云服務(wù)多樣化、便捷化以及規(guī)模化發(fā)展的趨勢(shì)，為數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。本文圍繞數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化相關(guān)的交換調(diào)度與路由算法設(shè)計(jì)問(wèn)題提出兩種基于輸入隊(duì)列（IQ：Input ?Queue）的光交換調(diào)度算法SDF（Stringent Delay First）和 m-SDF（m-order Stringent Delay First）。研究?jī)煞N數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)模型：多重獨(dú)立式數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)MI-DCN（

Multiple Independent DCN）和一體化分布式數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)ID-DCN（Integrated Distributed ?DCN）。將軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network：SDN）的概念引入數(shù)據(jù)中心，設(shè)計(jì)傳輸路由算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心資源負(fù)載均衡。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心，光交換調(diào)度， SDN，路由算法

引言

云計(jì)算、智慧城市、物聯(lián)網(wǎng)以及大數(shù)據(jù)的快速發(fā)展給數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和管理帶來(lái)極大的沖擊，推動(dòng)數(shù)據(jù)中心向分布式、一體化、低功耗以及智能化模式轉(zhuǎn)變。數(shù)據(jù)中心為云服務(wù)提供豐富的存儲(chǔ)和計(jì)算資源，海量的云IP流量對(duì)數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)管理提出了更高的要求和目標(biāo)。

數(shù)據(jù)對(duì)傳輸延遲要求的不同，使得在數(shù)據(jù)交換過(guò)程中需滿足其差異化時(shí)延需求。而且，隨著云服務(wù)不斷普及，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量大幅上升，云IP 數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出多樣性和高變化性特征。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心高速傳輸并減少時(shí)延，當(dāng)前的研究一般采用crossbar光交換結(jié)構(gòu)作為Core交換器，并在Core交換器和To R（Top-of-Rack）交換器之間采用高速光連接。

光交換調(diào)度算法研究進(jìn)展

基于差異化服務(wù)調(diào)度研究

目前針對(duì)光網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的研究主要基于逐個(gè)時(shí)隙方式進(jìn)行調(diào)度和基于分組進(jìn)行調(diào)度。采用輸入隊(duì)列IQ交叉開(kāi)關(guān)光交換器，從滿足差異化時(shí)延需求的角度出發(fā)，根據(jù)數(shù)據(jù)中心光交換流量調(diào)度模型，建立差異化時(shí)延調(diào)度的數(shù)學(xué)模型，提出系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)和解決思路。然后根據(jù)數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)兩個(gè)差異化時(shí)延調(diào)度算法SDF和 m-SDF，實(shí)現(xiàn)

100%投遞率以及最大時(shí)延滿足率。

本文基于N×N ?輸入隊(duì)列緩沖（IQ）的Crossbar光交換機(jī)，對(duì)具有差異化時(shí)延需求的數(shù)據(jù)包提供合理的包調(diào)度策略，如圖1所示，輸入端設(shè)置緩沖區(qū)，在T時(shí)刻內(nèi)聚集的數(shù)據(jù)包根據(jù)輸入輸出端口不同，具有相同輸出端的數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在特定的VOQ隊(duì)列緩沖區(qū)中。

每個(gè)輸入端口的緩沖區(qū)存放N組數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)N個(gè)輸出端口，根據(jù)Crossbar的限制，為了避免沖突，每個(gè)輸入/輸出端口僅僅對(duì)應(yīng)一個(gè)輸出/輸入端口。這樣在輸入端匯集的數(shù)據(jù)包形成一個(gè)一一對(duì)應(yīng)輸入輸出端口的流量矩陣C（T）。調(diào)度問(wèn)題實(shí)際上可以理解為通過(guò)調(diào)度算法將流量矩陣分解為不同的配置矩陣進(jìn)行傳輸?shù)倪^(guò)程。

圖2描述了一個(gè)簡(jiǎn)易的差異化時(shí)延處理的光交換機(jī)系統(tǒng)模型。在這個(gè)2×2的Crossbar交換機(jī)模型中。

光交換調(diào)度過(guò)程

光交換調(diào)度一般分為若干階段，每個(gè)階段需要完成系統(tǒng)特定的任務(wù)，在保證傳輸質(zhì)量的前提下完成數(shù)據(jù)的傳輸任務(wù)。

根據(jù)時(shí)隙分配技術(shù)（TSA：Time slot Assignment），假定時(shí)間分成了一個(gè)個(gè)時(shí)隙，并且每個(gè)時(shí)隙只傳遞一個(gè)數(shù)據(jù)包。根據(jù)時(shí)隙原則，交換機(jī)以流水線的方式工作 ， 交換 機(jī)內(nèi) 部的數(shù) 據(jù)包調(diào) 度統(tǒng)共 分為三個(gè)階 段：數(shù)據(jù)累積 （ traffic accumulation）、調(diào)度（scheduling）以及交換（switching）過(guò)程。

結(jié)束語(yǔ)

本文圍繞數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的光交換調(diào)度、資源配置模型提供、負(fù)載均衡問(wèn)題展開(kāi)了研究，為了解決數(shù)據(jù)中心光交換數(shù)據(jù)時(shí)延需求不同的問(wèn)題，考慮流量的差異化時(shí)延需求，提出兩個(gè)基于Crossbar 的調(diào)度算法SDF和m-SDF。為了提高數(shù)據(jù)中心資源利用率，引入軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）的思想管理整個(gè)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的信息和資源，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)資源的負(fù)載均衡。

參考文獻(xiàn)：

[1]面向云計(jì)算的能效智能路由理論與技術(shù)研究[D]. 王文娟.東北大學(xué) 2017

[2]Torus交換結(jié)構(gòu)流量均衡和容錯(cuò)路由算法研究[D]. 陳軍.電子科技大學(xué) 2016

[3]2D MESH片上網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)路由算法研究[D]. 潘震宇.中南大學(xué) 2017