CN102594681B - 以太网中滑模变结构拥塞控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以太网中滑模变结构拥塞控制方法，涉及拥塞控制领域。该方法由拥塞点和响应端协同完成；响应端的工作包括：B1：判断接收到的数据帧是否是反馈帧，如果是，执行B2；否则，重复本步骤；B2：计算新的发送速率，判断新的发送速率是否大于当前发送速率，如果是，执行B3；否则，执行B4；B3：判断当前拥塞点和历史拥塞点是否相同，如果是，执行B5；否则，执行B1；B4：判断当前拥塞点和历史拥塞点是否相同，如果是，执行B5；否则，将历史拥塞点更新为当前拥塞点，然后执行B5；B5：将当前发送速率更新为新的发送速率，执行B1。所述方法保证任何情况下拥塞控制系统均能进入滑模状态，提高了链路利用率。

Description

以太网中滑模变结构拥塞控制方法

技术领域

本发明涉及拥塞控制技术领域，特别涉及一种以太网中滑模变结构拥塞控制方法。

背景技术

近年来，云计算蓬勃发展，预计将成为未来主要的计算模式。云计算的核心设施是数据中心。数据中心通过成千上万台商用计算机互连，为用户提供弹性的虚拟计算资源。网络是影响数据中心的性能、资源利用率等的关键因素。目前，数据中心中有三种网络并存，它们分别是：高性能计算网络、存储网络和局域网。这种情况下，数据中心网络需要使用许多冗余设备，如一台机器需要同时有网卡、光纤接口卡等多个接口，构建数据中心的代价增加。同时三种网络共存使得数据中心网络设计复杂，管理代价高。为局域网交互、存储、高性能计算等构建统一的交换结构是当前的发展趋势。IEEE802.1 DCB(DataCenter Bridging)工作组正在进行把以太网增强为数据中心网络中统一的交换结构的标准化工作。

增强的以太网要成为数据中心网络中统一的交换结构，需要具有低延时、无丢失等特性，来满足存储、高性能计算的需求。在以太网上增加拥塞控制机制，是令以太网达到低延时、无丢包等目标不可缺少的机制之一。以太网中拥塞控制的目标是将瓶颈链路的缓存队列长度控制在目标点，消除长期拥塞，从而既不丧失链路利用率，又可控制排队延时。这也使得丢包只能是由数据突发性造成的瞬时拥塞导致，有助于增强的以太网达到无丢包的目的。然而，由于链路层数据传输没有ACK(确认信号)，并且交换机缓存小，传统的传输层拥塞控制方式难以应用于链路层。IEEE802.1 Qau工作组开发了QCN(Quantized Congestion Notification，量化的拥塞通告)作为链路层拥塞控制的标准。但是QCN的稳定性没有理论保障，它的性能依赖于拥塞控制系统的状态和参数配置。理论分析发现，某些情况下，QCN系统会进入滑模状态，瓶颈链路的缓存队列只有细微抖动；但某些情况下，QCN系统不能进入滑模状态，缓存队列抖动的幅度可能会加大，进而导致缓存队列溢出。同时，实验表明，QCN具有不适应网络环境和参数配置变化的缺陷。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种以太网中滑模变结构拥塞控制方法，以保证在任何情况下拥塞控制系统均能够进入滑模状态，从而将瓶颈链路的缓存队列长度有效控制在目标长度，消除长期拥塞，提高链路利用率，控制排队延时。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种以太网中滑模变结构拥塞控制方法，所述方法由拥塞点和响应端协同完成；

所述拥塞点的工作步骤包括：

A1：以预定频率采样通过的数据帧；

A2：采样到数据帧后，读取当前缓存队列长度，根据当前缓存队列长度构造反馈帧，并将所述反馈帧发送给所述响应端，然后执行所述步骤A1；

所述响应端的工作步骤包括：

B1：接收数据帧，并且判断接收到的数据帧是否是所述反馈帧，如果是，执行步骤B2；否则，重复执行本步骤；

B2：根据所述反馈帧和当前发送速率计算新的发送速率，并且判断新的发送速率是否大于当前发送速率，如果是，执行步骤B3；否则，执行步骤B4；

B3：根据所述反馈帧判断当前拥塞点和历史拥塞点是否相同，如果相同，执行步骤B5；否则，执行所述步骤B1；

B4：根据所述反馈帧判断当前拥塞点和历史拥塞点是否相同，如果相同，执行步骤B5；否则，将历史拥塞点更新为当前拥塞点，然后执行步骤B5；

B5：将当前发送速率更新为新的发送速率，执行所述步骤B1。

优选地，所述拥塞点为以太网中产生拥塞的交换机。

优选地，所述响应端为以太网中能够调节发送速率的边缘交换机或者网卡。

优选地，所述反馈帧中包含如下信息：当前缓存队列长度相对于目标长度的偏移量q_off，缓存队列长度在一个采样周期内的变化量q_var，以及当前拥塞点的标识cp_id。

优选地，所述步骤B2中，新的发送速率的计算公式如下：

$r_{\mathrm{new}}=\left\{\begin{array}{cc}{r}_{\mathrm{cur}}-{\mathrm{aq}}_{\mathrm{off}}& q_{\mathrm{off}}{q}_{\mathrm{var}}\&GreaterEqual;0\\ r_{\mathrm{cur}}-{\mathrm{bq}}_{\mathrm{var}}& q_{\mathrm{off}}{q}_{\mathrm{var}}<0\end{array}\right.;$

其中，r_new表示新的发送速率；r_cur表示当前发送速率；a表示第一控制参数，为正数；b表示第二控制参数，为正数。

优选地，所述反馈帧的目的地址为所述拥塞点采样到的数据帧的源地址。

优选地，所述反馈帧的类型域设置为0x9010。

优选地，所述步骤A1中，所述拥塞点采用计数器或者时钟，实现以预定频率采样通过缓存队列的数据帧。

(三)有益效果

本发明的以太网中滑模变结构拥塞控制方法，保证在任何情况下拥塞控制系统均能够进入滑模状态，从而将瓶颈链路的缓存队列长度有效控制在目标长度，消除长期拥塞，控制排队延时，提高链路利用率。同时，所述方法对网络环境和系统参数的变化不敏感，具有很高的鲁棒性。

附图说明

图1是QCN方法的拥塞控制系统进入滑模运动状态前的运动轨迹示意图；

图2是QCN系统处于滑模运动状态时的运动轨迹示意图；

图3是所述拥塞点的工作流程示意图；

图4是所述响应端的工作流程示意图；

图5是SMCC系统的运动轨迹示意图；

图6是哑铃型拓扑示意图；

图7是哑铃拓扑实验中QCN系统的瓶颈链路缓存队列长度变化示意图；

图8a是哑铃拓扑实验中SMCC系统采用第一组参数时的瓶颈链路缓存队列长度变化示意图；

图8b是哑铃拓扑实验中SMCC系统采用第二组参数时的瓶颈链路缓存队列长度变化示意图；

图9是Parking lot拓扑示意图；

图10a是Parking lot拓扑实验中SMCC系统的瓶颈链路C1-C2缓存队列长度变化示意图；

图10b是Parking lot拓扑实验中SMCC系统的瓶颈链路C2-C3缓存队列长度变化示意图；

图11a是Parking lot拓扑实验中QCN系统的瓶颈链路C1-C2缓存队列长度变化示意图；

图11b是Parking lot拓扑实验中QCN系统的瓶颈链路C2-C3缓存队列长度变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明实施例所述以太网中滑模变结构拥塞控制方法，是对IEEE802.1 Qau工作组开发的QCN方法的改进。图1是QCN方法的拥塞控制系统(以下简称QCN系统)进入滑模运动状态前的运动轨迹示意图。如图1所示，QCN系统分为加速区和减速区两个部分，QCN系统在加速区和减速区的运动轨迹可以组合成一种名为滑模运动的运动模式。在滑模运动模式下，QCN系统的运动方式为不断地在加速区和减速区之间切换，最后到达平衡点。图2是QCN系统处于滑模运动状态时的运动轨迹示意图。如图2所示，在滑模运动过程中，QCN系统对于网络环境的变化和系统参数的变化不敏感。但是，QCN系统并不能保证一定会进入滑模运动状态，而是依赖于网络状态和系统参数配置；同时，QCN系统还具有不适应网络环境和系统参数配置的缺陷。

本发明实施例所述以太网中滑模变结构拥塞控制方法(以下简称SMCC方法)，能够保证拥塞控制系统从任何初始状态都能够进入滑模运动状态，从而将缓存队列长度紧紧地控制在目标长度，并且对网络环境的变化和系统参数的变化不敏感。

所述SMCC方法，由拥塞点和响应端两个部分协同完成。其中，所述拥塞点为以太网中产生拥塞的交换机；所述响应端为以太网中能够调节发送速率的发送端，所述发送端是以太网中的边缘交换机或者网卡。

图3是所述拥塞点的工作流程示意图，如图3所示，所述拥塞点的工作步骤包括：

A1：监测缓存队列长度，并且采用计数器或者时钟实现以预定频率采样通过所述拥塞点的数据帧。

A2：采样到数据帧后，读取当前缓存队列长度，根据当前缓存队列长度构造反馈帧，并将所述反馈帧发送给所述响应端，然后执行所述步骤A1。

所述反馈帧的目的地址为所述拥塞点采样到的数据帧的源地址，并且所述反馈帧的类型域不同于传统以太帧的0x0800，而是设置为0x9010。假设用q(t)表示当前缓存队列长度，q₀表示缓存队列的目标长度，q_old表示上一次采样时记录的历史缓存队列长度。则所述反馈帧中包含如下信息：当前缓存队列长度相对于目标长度的偏移量q_off，即q_off＝q(t)-q₀；缓存队列长度在一个采样周期内的变化量q_var，即q_var＝q(t)-q_old；以及当前拥塞点的标识cp_id。所述SMCC方法与QCN方法的不同之处在于，SMCC方法的反馈帧中同时存在q_off和q_var，而QCN方法的反馈帧中是q_off和q_var的加权平均值。

鉴于数据中心网络同构情形常见，我们假设响应端同构，响应端数目为N，发送速率为r(t)，链路带宽为C，所述拥塞点的缓存队列长度变化可以用下面的微分方程描述：

$\frac{\mathrm{dq}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\mathrm{Nr}\left(t\right)-C;---\left(1\right)$

同时缓存队列长度在一个采样周期内的变化量q_var可以表示为：

$q_{\mathrm{var}}=\mathrm{\&Delta;t}\&times;\frac{\mathrm{dq}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{\mathrm{pC}}[\mathrm{Nr}\left(t\right)-C];---\left(2\right)$

其中，是采样间隔，p表示所述预定频率。

图4是所述响应端的工作流程示意图，如图4所示，所述响应端的工作步骤包括：

B1：接收数据帧，并且根据数据帧的类型域判断接收到的数据帧是否是所述反馈帧，如果是，执行步骤B2；否则，重复执行本步骤。

B2：根据所述反馈帧和当前发送速率计算新的发送速率，并且判断新的发送速率是否大于当前发送速率，如果是，执行步骤B3；否则，执行步骤B4。其中，新的发送速率的计算公式如下：

$r_{\mathrm{new}}=\left\{\begin{array}{cc}{r}_{\mathrm{cur}}-{\mathrm{aq}}_{\mathrm{off}}& q_{\mathrm{off}}{q}_{\mathrm{var}}\&GreaterEqual;0\\ r_{\mathrm{cur}}-{\mathrm{bq}}_{\mathrm{var}}& q_{\mathrm{off}}{q}_{\mathrm{var}}<0\end{array}\right.;---\left(3\right)$

其中，r_new表示新的发送速率；r_cur表示当前发送速率；a表示第一控制参数，为正数；b表示第二控制参数，为正数。

B3：根据所述反馈帧判断当前拥塞点和历史拥塞点是否相同，如果相同，执行步骤B5；否则，执行所述步骤B1。所述响应端存储一个历史拥塞点的标识id，通过比较当前拥塞点的标识cp_id和历史拥塞点的标识id是否相同，判断当前拥塞点和历史拥塞点是否相同。

B4：根据所述反馈帧判断当前拥塞点和历史拥塞点是否相同，如果相同，执行步骤B5；否则，将历史拥塞点更新为当前拥塞点，然后执行步骤B5。

B5：将当前发送速率更新为新的发送速率，执行所述步骤B1。

所述响应端的速率调节机制可以用下面的微分方程组描述：

$\frac{\mathrm{dr}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\left\{\begin{array}{cc}-a[q\left(t\right)-q_0]& q_{\mathrm{off}}{q}_{\mathrm{var}}\&GreaterEqual;0\\ -\frac{b}{\mathrm{pC}}[\mathrm{Nr}\left(t\right)-C]& q_{\mathrm{off}}{q}_{\mathrm{var}}>0\end{array}\right.;---\left(4\right)$

所述拥塞点和响应端协作，构成一个闭环反馈控制系统，其控制对象是缓存队列长度和发送速率。对(4)式做变量替换：

$\left\{\begin{array}{c}x\left(t\right)=q\left(t\right)-q_0\\ y\left(t\right)=\mathrm{Nr}\left(t\right)-C\end{array}\right.;---\left(5\right)$

综合以上(1)、(2)、(4)、(5)式，所述SMCC方法的拥塞控制系统(以下简称SMCC系统)可以用下面的微分方程组描述：

当x(t)，y(t)同号时， $\left\{\begin{array}{c}\frac{\mathrm{dx}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=y\left(t\right)\\ \frac{\mathrm{dy}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=-\mathrm{aNx}\left(t\right)\end{array}\right.;---\left(6\right)$

当x(t)，y(t)异号时， $\left\{\begin{array}{c}\frac{\mathrm{dx}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=y\left(t\right)\\ \frac{\mathrm{dy}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=-\frac{\mathrm{bN}}{\mathrm{pC}}y\left(t\right)\end{array}\right.;---\left(7\right)$

以x(t)为横坐标，以y(t)为纵坐标，我们可以画出(6)式和(7)式两个微分方程组的运动轨迹。图5是SMCC系统的运动轨迹示意图，如图5所示，在区域A内，即x(t)和y(t)同号时，运动轨迹为椭圆；在区域B内，即x(t)和y(t)异号时，运动轨迹为直线。最终，运动轨迹会到达x轴，接着进入滑模运动状态。从图5上可以看出，SMCC系统处于任何状态，即从任意坐标出发，最终运动轨迹都会运动到x轴，从而进入滑模运动状态。

SMCC系统进入滑模运动状态的充分必要条件为：

$\left\{\begin{array}{cc}\underset{y\left(t\right)\&RightArrow;0^{+}}{\lim }\frac{\mathrm{dy}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}<0& x\left(t\right)>0\\ \underset{y\left(t\right)\&RightArrow;0^{+}}{\lim }\frac{\mathrm{dy}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}>0& x\left(t\right)<0\\ \underset{y\left(t\right)\&RightArrow;0^{-}}{\lim }\frac{\mathrm{dy}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\&le;0& x\left(t\right)\&GreaterEqual;0\\ \underset{y\left(t\right)\&RightArrow;0^{-}}{\lim }\frac{\mathrm{dy}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\&GreaterEqual;0& x\left(t\right)\&le;0\end{array}\right.---\left(8\right)$

将(8)式代入描述SMCC系统的微分方程组(6)式和(7)式中可知，只要第一控制参数a和第二控制参数b为正，(8)式一直成立；即理论上说明，对任意正数a、b，SMCC系统从任何状态出发都能够进入滑模运动状态，从而到达平衡点。因此，理论上，SMCC系统稳定，且具有滑模运动状态下系统对于网络环境的变化和系统参数的变化不敏感的优势。

虽然对于任意正数a、b，SMCC系统从任何状态出发都能够进入滑模运动状态。但是a、b太小会导致SMCC系统调节时间过长，响应太慢；a、b过大会导致SMCC系统经常调节过度，导致缓存溢出或者排空。假设偏移量q_off最大值为M_a，假设变化量q_var最大值为M_b，定义R_a＝a×M_a，R_b＝b×M_b。经过实验，在链路带宽为1Gbps的情况下，a、b优选设置为使得R_a＝256Mbps、R_b＝256Mbps。

为了进一步验证所述SMCC方法性能，我们在NetFPGA平台上实现并测试了所述SMCC方法。实验表明，SMCC方法比QCN方法简单，SMCC系统稳定，对网络环境的变化和系统参数的变化的敏感性弱。

NetFPGA是斯坦福大学开发的用于快速协议设计的可编程FPGA(Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列)板。目前，在NetFPGA平台上已有交换机、流量生成器等的设计。在NetFPGA平台上，可以通过在已有的交换机的基础上添加采样和发送反馈包的机制作为拥塞点的交换机，扩展已有的流量生成器实现速率调节功能作为响应端。

从实验来看，在拥塞点，SMCC方法无需像QCN方法一样计算q_var和q_off的加权平均值；在响应端，SMCC方法无需像QCN方法一样记录一系列状态，只需根据当前反馈帧中的反馈值确定速率调节的方式，调节发送速率。因而SMCC方法比QCN方法简单。同时，SMCC系统和QCN系统基本架构一致，要用SMCC系统替换QCN系统，只需改变固件即可。

图6是哑铃型拓扑示意图，如图6所示，实验首先使用最简单的哑铃型拓扑说明QCN系统对环境的适应能力差。图6中，S1、S2是作为响应端的发送端，初始发送速率为1Gbps；S3是生成背景流量的发送端，它在第1秒钟生成固定大小为750Mbps的背景流量抢占带宽。R1、R2、R3是相应的接收端。第2秒时，改变QCN系统的一个参数，以减小加速的周期。第3秒时，S3产生的背景流量停止。图7是哑铃拓扑实验中QCN系统的瓶颈链路缓存队列长度变化示意图，如图7所示，QCN系统启动后，缓存队列在一次排空后迅速趋近队列目标长度q₀；第1秒瓶颈链路带宽被S3抢占之后，瓶颈链路队列抖动变得剧烈；第2秒QCN系统的参数被改变之后，瓶颈链路队列抖动变得更加剧烈，以至于瓶颈链路队列频繁排空，链路利用率下降；第3秒S3产生的背景流量停止后，瓶颈链路队列抖动幅度开始收敛。因而，环境和系统参数的变化，都对QCN系统的行为有较大的影响；一些情况下，QCN系统不稳定，瓶颈链路队列频繁排空导致链路利用率下降。这是我们设计SMCC的动机。

然后，实验继续使用图6所示的哑铃型拓扑，验证SMCC系统对于参数变化的不敏感。在本次实验中，S1、S2、S3都是作为响应端的发送端，R1、R2、R3是相应的接收端。在同样的环境下，变动SMCC系统的第一控制参数a和第二控制参数b。图8a是哑铃拓扑实验中SMCC系统采用第一组参数时的瓶颈链路缓存队列长度变化示意图；图8b是哑铃拓扑实验中SMCC系统采用第二组参数时的瓶颈链路缓存队列长度变化示意图。在图8a中，a和b的取值使得R_a＝256Mbps，R_b＝32Mbps；在图8b中，a和b的取值使得R_a＝128Mbps，R_b＝256Mbps。通过图8a和图8b可以看到，第一控制参数a和第二控制参数b的变动仅仅是稍微影响SMCC系统的响应时间，最终SMCC系统中瓶颈链路队列长度会稳定在目标长度。SMCC系统对于参数变化不敏感。

图9是Parking lot拓扑示意图。最后，我们使用图9所示Parking lot拓扑验证SMCC系统对于网络环境变化的不敏感性。如图9所示，S1、S2、S3、S4是发送端，R1、R2、R3、R4是相应的接收端，C1、C2，C3是交换机。S1，S2作为SMCC系统或者QCN系统的响应端，它们到R1、R2的流量初始速率为1Gbps。在第一秒，S3会发起一个大小为750Mbps的流到R3。在第3秒，S3发起的流停止，S4发起一个大小为875Mbps的流到R4。因此，在前三秒，瓶颈链路为C1-C2，之后瓶颈链路变为C2-C3。图10a是Parking lot拓扑实验中SMCC系统的瓶颈链路C1-C2缓存队列长度变化示意图；图10b是Parking lot拓扑实验中SMCC系统的瓶颈链路C2-C3缓存队列长度变化示意图。如图10a～b所示，除去响应时间，缓存队列长度最终停留在目标长度。图11a是Parking lot拓扑实验中QCN系统的瓶颈链路C1-C2缓存队列长度变化示意图；图11b是Parking lot拓扑实验中QCN系统的瓶颈链路C2-C3缓存队列长度变化示意图。如图11a～b所示，在瓶颈链路切换之后，QCN系统中瓶颈链路缓存队列频繁排空导致链路利用率下降。因此，SMCC系统优于QCN系统。

本发明实施例所述以太网中滑模变结构拥塞控制方法，保证在任何情况下拥塞控制系统均能够进入滑模状态，从而将瓶颈链路的缓存队列长度有效控制在目标长度，消除长期拥塞，提高链路利用率。同时，所述方法对网络环境和系统参数的变化不敏感，具有很高的鲁棒性。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (6)

1.一种以太网中滑模变结构拥塞控制方法，其特征在于，所述方法由拥塞点和响应端协同完成；

所述拥塞点的工作步骤包括：

A1：以预定频率采样通过的数据帧；

A2：采样到数据帧后，读取当前缓存队列长度，根据当前缓存队列长度构造反馈帧，并将所述反馈帧发送给所述响应端，然后执行所述步骤A1；

所述响应端的工作步骤包括：

B1：接收数据帧，并且判断接收到的数据帧是否是所述反馈帧，如果是，执行步骤B2；否则，重复执行本步骤；

B2：根据所述反馈帧和当前发送速率计算新的发送速率，并且判断新的发送速率是否大于当前发送速率，如果是，执行步骤B3；否则，执行步骤B4；

B3：根据所述反馈帧判断当前拥塞点和历史拥塞点是否相同，如果相同，执行步骤B5；否则，执行所述步骤B1；

B4：根据所述反馈帧判断当前拥塞点和历史拥塞点是否相同，如果相同，执行步骤B5；否则，将历史拥塞点更新为当前拥塞点，然后执行步骤B5；

B5：将当前发送速率更新为新的发送速率，执行所述步骤B1；

所述反馈帧中包含如下信息：当前缓存队列长度相对于目标长度的偏移量q_off，缓存队列长度在一个采样周期内的变化量q_var，以及当前拥塞点的标识cp_id；

所述步骤B2中，新的发送速率的计算公式如下：

$r_{\mathrm{new}}=\left\{\begin{array}{cc}{r}_{\mathrm{cur}}-{\mathrm{aq}}_{\mathrm{off}}& q_{\mathrm{off}}{q}_{\mathrm{var}}\&GreaterEqual;0\\ r_{\mathrm{cur}}-{\mathrm{bq}}_{\mathrm{var}}& q_{\mathrm{off}}{q}_{\mathrm{var}}<0\end{array}\right.;$

其中，r_new表示新的发送速率；r_cur表示当前发送速率；a表示第一控制参数，为正数；b表示第二控制参数，为正数。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述拥塞点为以太网中产生拥塞的交换机。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述响应端为以太网中能够调节发送速率的边缘交换机或者网卡。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反馈帧的目的地址为所述拥塞点采样到的数据帧的源地址。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反馈帧的类型域设置为0x9010。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A1中，所述拥塞点采用计数器或者时钟，实现以预定频率采样通过缓存队列的数据帧。