云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)多用戶多業(yè)務(wù)并發(fā)性算法

陳小龍

（銳捷網(wǎng)絡(luò)股份有限公司，福建 福州 350000）

1 概述

隨著Web2.0 時(shí)代的到來(lái)，基于互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)上交易應(yīng)用迅猛發(fā)展，尤其出現(xiàn)類似每年的“雙十一”等可以說(shuō)是購(gòu)物的狂歡節(jié)，隨之而來(lái)的就是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量的爆炸式增長(zhǎng)，為了保障數(shù)據(jù)服務(wù)的穩(wěn)定運(yùn)行，在實(shí)現(xiàn)云數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)平臺(tái)產(chǎn)品上線前的能模擬百億級(jí)別訪問(wèn)量的情景再現(xiàn)，設(shè)計(jì)基于RDMA 技術(shù)的云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)多用戶多業(yè)務(wù)算法，模擬多用戶多條業(yè)務(wù)流，實(shí)現(xiàn)仿真多用戶多條業(yè)務(wù)流測(cè)目的，本文通過(guò)基于RDMA 技術(shù)的云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，設(shè)計(jì)Parallel Matrix Multiplication 算法實(shí)現(xiàn)RDMA Ib_write 源端口變化，解決了當(dāng)前無(wú)法仿真多用戶多條業(yè)務(wù)流測(cè)試瓶頸，為應(yīng)對(duì)百億級(jí)數(shù)量訪問(wèn)量的數(shù)據(jù)中心的穩(wěn)定運(yùn)行提供運(yùn)營(yíng)前的測(cè)試保障。

2 研究背景及相關(guān)工作

2.1 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于云的數(shù)據(jù)中心計(jì)算網(wǎng)絡(luò)集群常見(jiàn)有兩類架構(gòu)。傳統(tǒng)情況下云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)會(huì)分為三層：接入層、匯聚層和核心層。如圖1。

圖1

另外一種比較常見(jiàn)的云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)集群架構(gòu)，在Spine 節(jié)點(diǎn)和Leaf 節(jié)點(diǎn)之間可能會(huì)存在三層連接，而Spine 節(jié)點(diǎn)和Core 節(jié)點(diǎn)之間也可能會(huì)存在三層連接，這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比于前面提到的架構(gòu)而言，其擴(kuò)展粒度要更細(xì)，可以細(xì)化到一組或者多組進(jìn)行接入（圖2）。

2.2 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)分派機(jī)制

無(wú)論選用那種數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)集群架構(gòu)，海量的業(yè)務(wù)流數(shù)據(jù)在傳輸中往往會(huì)出現(xiàn)延遲、丟包等現(xiàn)象，但單用戶性能測(cè)試無(wú)法實(shí)現(xiàn)多用戶多業(yè)務(wù)流并發(fā)性的檢測(cè)，為了能實(shí)時(shí)了解數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)多用戶多業(yè)務(wù)并發(fā)性數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中影響帶寬、產(chǎn)生延遲、丟包現(xiàn)象的形成因素，解決了當(dāng)前無(wú)法仿真多用戶多條業(yè)務(wù)流測(cè)試瓶頸，解決不需增設(shè)服務(wù)器的情況下多用戶并發(fā)性問(wèn)題。

3 云數(shù)據(jù)中心多業(yè)務(wù)并發(fā)性算法

3.1 問(wèn)題描述

當(dāng)今時(shí)代存在數(shù)據(jù)大爆炸的特征。信息的高速增長(zhǎng)要求領(lǐng)域技術(shù)和軟件工具處理大量的數(shù)據(jù)。為了應(yīng)對(duì)云數(shù)據(jù)中心的多業(yè)務(wù)大數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)，一些分布式內(nèi)存的并行執(zhí)行模型已經(jīng)被提出：MapReduce, 迭代MapReduce，圖處理和數(shù)據(jù)流圖處理并行執(zhí)行模型。MapReduce 編程模型已經(jīng)應(yīng)用到很大范圍的計(jì)算應(yīng)用，因?yàn)樗芴峁┖?jiǎn)單的使用和處理大規(guī)模數(shù)據(jù)時(shí)的效率。但是MapReduce 有其局限性。比如MapReduce 處理多個(gè)相關(guān)的異構(gòu)數(shù)據(jù)集合時(shí)的效率不高。MPI 是一個(gè)開(kāi)放的通訊協(xié)議，用于編寫(xiě)并行程序。MPI 的目標(biāo)是高性能、大規(guī)模及可移植性。

3.2 MPI 計(jì)算架構(gòu)

mpirun 是MPI 程序的啟動(dòng)腳本程序，它提供簡(jiǎn)化了并行程序的啟動(dòng)，隱藏了底層的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，為用戶提供了一個(gè)通用的MPI 處理機(jī)。Mpirun 在執(zhí)行并行程序時(shí)，參數(shù)-np 指明了需要并行運(yùn)行的進(jìn)程個(gè)數(shù)。mpirun 首先在本地機(jī)器上啟動(dòng)一個(gè)進(jìn)程，然后根據(jù)machines 文件中所列出的主機(jī)，為每個(gè)主機(jī)啟動(dòng)一個(gè)進(jìn)程。一般會(huì)給每個(gè)節(jié)點(diǎn)分一個(gè)固定的標(biāo)號(hào)，類似于身份ID，在消息通信中會(huì)用到。

3.3 多業(yè)務(wù)并發(fā)性算法

我們選擇并行矩陣乘法程序來(lái)評(píng)估多用戶多任務(wù)算法的性能，因?yàn)椴⑿芯仃嚦朔ㄓ兄己玫耐ㄐ藕陀?jì)算開(kāi)銷模式。

矩陣乘矩陣的性能模型已經(jīng)被研究了好幾十年。并行矩陣乘法的計(jì)算復(fù)雜度以N 的立方增長(zhǎng)，而它的內(nèi)存開(kāi)銷以N 的平方增長(zhǎng)。并行矩陣乘法的工作量已經(jīng)被分為許多同構(gòu)的子任務(wù)并且被并行執(zhí)行。并行矩陣乘法良好的計(jì)算和通信模式使它成為研究多任務(wù)多用戶算法程序的良好應(yīng)用。我們提出了一個(gè)精確的分析模型來(lái)分析MPI 并行矩陣乘法。我們的多用戶多任務(wù)的并行矩陣乘法的算法開(kāi)銷為：

MPI 并行矩陣乘法算法代碼如下：int main(int argc, char* argv[]) {

4 討論

我們實(shí)現(xiàn)了支持多用戶用任務(wù)的MPI 并行矩陣乘法算法程序。使用分析模型精確的分析了這一算法程序的通信開(kāi)銷和計(jì)算開(kāi)銷。該分析模型使我們能夠?qū)崟r(shí)了解數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)多用戶多業(yè)務(wù)并發(fā)性數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中影響帶寬、產(chǎn)生延遲、丟包現(xiàn)象的形成因素。

5 仿真實(shí)驗(yàn)

5.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)計(jì)

5.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

5.2.1 軟件工具

軟件方面，OEM 廠商Dell 將Mellanox 網(wǎng)卡固件程序升級(jí)至最新版本：Network_Firmware_TPTR3_LN_14.20.18.20_01.BIN；以確保支持RDMA 源端口變化等高級(jí)特性。此外MPI 驅(qū)動(dòng)程序采用 的 是 Mellanox 原 廠 驅(qū) 動(dòng) ：MLNX_MPI_LINUX-4.2-1.0.0.0-rhel7.4-x86_64。

（1）確認(rèn)系統(tǒng)裝有網(wǎng)絡(luò)適配器(HCA/NIC)，采用下面的命令可以顯示Mellanox HCA 的安裝信息：

5.2.2 硬件工具

測(cè)試使用的RDMA 和RoCE 協(xié)議中，以太網(wǎng)交換機(jī)需要支持PFC, ECN, ETS 功能；網(wǎng)卡需要支持RoCE 協(xié)議。網(wǎng)卡主要使用了Mellanox ConnectX-4 LX 系列雙25Gpbs 網(wǎng)口網(wǎng)卡。在測(cè)試中，主要測(cè)試了銳捷S6500-4C 交換機(jī)，在部分測(cè)試中也有使用到S6510 交換機(jī)。

5.2.3 測(cè)試過(guò)程

（1）以root 權(quán)限登陸到系統(tǒng)。

（2）運(yùn)行安裝腳本 #./mlnxMPIinstall；運(yùn)行前如果安裝過(guò)程中需要升級(jí)網(wǎng)絡(luò)適配器固件ConnectX-3/ConnectX-3 Pro - 重啟 驅(qū) 動(dòng)、ConnectX-4/ConnectX-4 Lx - 重 啟 系 統(tǒng) 、ConnectX-5/ConnectX-5 Ex - 重啟系統(tǒng)；否則重啟驅(qū)動(dòng)#/etc/init.d/openibd restart。

（3）運(yùn)行hca_self_test.MPI 實(shí)用程序來(lái)驗(yàn)證InfiniBand 鏈接是否up。該實(shí)用程序還檢查和顯示額外的信息，例如:HCA 固件版本、內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)程序版本、與它們的狀態(tài)一起活動(dòng)的HCA 端口的數(shù)量、節(jié)點(diǎn)GUID 等信息。如需了解有關(guān)hca_self_test. MPI 的 更 多 細(xì) 節(jié) ， 查 看 文 件 :docs/readme_and_user_manual/hca_self_test. readme。

（4）安裝完成后，運(yùn)行命令/ etc/infiniband/ info 來(lái)獲取關(guān)于安裝的Mellanox 的信息，例如前綴、內(nèi)核版本和安裝參數(shù)，在啟動(dòng)后自動(dòng)加載的模塊列表可以在/ etc/infiniband/ openib. conf文件中找到。

（5）端口設(shè)置

創(chuàng)建一個(gè)包含信息（源端口、目的端口、源IP、目的IP、協(xié)議）的五元組，利用Parallel Matrix Multiplication 算法實(shí)現(xiàn)RDMA Ib_write 源端口變化，實(shí)現(xiàn)多用戶、多業(yè)務(wù)端口變化的目的，達(dá)成億級(jí)的用戶量和數(shù)據(jù)量。設(shè)置過(guò)程如下：

Step1：五元組信息（源端口、目的端口、源IP、目的IP、協(xié)議）初始化。

（1）源mac 無(wú)變化（24:8a:07:9a:28:83）目的mac 無(wú)變化（58:69:6c:14:ca:01）。

（2）源ip 無(wú)變化（10.10.10.177）目的ip 無(wú)變化（30.0.0.182）。

（3）源端口變化隨機(jī)，目的端口隨機(jī)。

（4）協(xié)議：RoCE。

（5）報(bào)文長(zhǎng)度：1082。

Step 2：利用Parallel Matrix Multiplication 算法實(shí)現(xiàn)RDMA MPI 源端口變化，根據(jù)用戶五元組中的源端口的變化，確定業(yè)務(wù)服務(wù)數(shù)量；當(dāng)業(yè)務(wù)服務(wù)數(shù)量小于預(yù)設(shè)閾值3000 時(shí)，不進(jìn)行任何處理，當(dāng)業(yè)務(wù)服務(wù)數(shù)量大于預(yù)設(shè)閾值3000 時(shí)，轉(zhuǎn)到Step 3 執(zhí)行。從而實(shí)現(xiàn)多用戶、多業(yè)務(wù)端口變化的目的，達(dá)成億級(jí)的用戶量和數(shù)據(jù)量。

Step 3：在MPI 業(yè)務(wù)下，從接收的用戶多類業(yè)務(wù)請(qǐng)求中獲取MPI 矩陣乘法鏈路帶寬等參數(shù)信息，根據(jù)這些信息給鏈路分配帶寬，實(shí)現(xiàn)鏈路負(fù)載均衡。當(dāng)矩陣的行和列較大時(shí)，如行，列都大于1024，此時(shí)矩陣直接相乘會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存空間不夠，并出現(xiàn)多次讀取的問(wèn)題。把整個(gè)矩陣乘法的動(dòng)作，切割成很多局部小矩陣的乘法，這樣就可以把兩個(gè)小矩陣加載到共享內(nèi)存中，小矩陣本身的乘法就不需要再加載其它數(shù)據(jù)到內(nèi)存了。把大的整體矩陣A、B 分成小的局部矩陣時(shí)，矩陣C=A*B，A、B、C 分別為M*K、K*N、M*N 的矩陣，其中，M = wp，N =hq，K =kr。具體分割是將某些連續(xù)行和某些連續(xù)列的交叉部分劃分為一塊。確保每個(gè)元素都在唯一一個(gè)局部矩陣?yán)铩⒕仃嘇 和B 分割成A 和B的子矩陣。從而達(dá)到優(yōu)化程序，節(jié)約緩存的目的。具體為：

（1）定義MPI 矩陣行和列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分別是MPI_Comm row_comm 和MPI_Comm col_comm；The BLAS matrix*matrix multiply 算法，當(dāng)M＞1024,N＞1024 情況下，啟動(dòng)Parallel Matrix Multiplication 算法（并行矩陣），并開(kāi)啟多線程調(diào)用。

（2）從接收的用戶業(yè)務(wù)請(qǐng)求中獲取MPI 矩陣乘法的參數(shù)信息，將矩陣分成局部小矩陣，并給局部要相乘的矩陣分配內(nèi)存，分配具體方法如下：

1 首先將矩陣分塊，將矩陣C 分解為p × q 的分塊矩陣Cij，每個(gè)Cij=(A × B)ij是一個(gè)w × h 的小矩陣，A 分解成為p × k 個(gè)分塊矩陣Aij，每個(gè)Aij是一個(gè)w × r 的局部矩陣，B 分解成為k × q 的分塊矩陣Bij，每個(gè)Bij是一個(gè)r × h 的局部矩陣。則分塊矩陣乘法的定義為：

2 mpi_bcast 行塊，本地矩陣塊乘法。

3 mpi_send_receive 列塊，mpi_bcast, mpi_send_receive, 使用mpi rdma ucx 通信庫(kù)，實(shí)現(xiàn)源端口變化發(fā)送和接受行和塊數(shù)據(jù)。

Step 4：根據(jù)矩陣BMR(broadcast-multiply-roll algorithm)算法結(jié)果，計(jì)算出運(yùn)行時(shí)間，最終輸出用戶數(shù)量，線程數(shù)量，計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)延遲和帶寬。

5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上文中所述的方案及實(shí)驗(yàn)過(guò)程，經(jīng)測(cè)試得到如下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖4 是MPI 矩陣乘法并行開(kāi)銷。MPI 矩陣乘法的并行開(kāi)銷定義如下：

圖4 MPI 矩陣乘法并行開(kāi)銷

6 結(jié)論

本論文設(shè)計(jì)了云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)多用戶多業(yè)務(wù)并發(fā)性算法，并行矩陣乘法的加速比呈線性增長(zhǎng)模式，解決了當(dāng)前無(wú)法仿真多用戶多條業(yè)務(wù)流測(cè)試瓶頸，同時(shí)通過(guò)矩陣乘法解決業(yè)務(wù)性能仿真無(wú)法實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。