CN103179049B - 分级自适应动态出端口和队列缓冲区管理的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种分级自适应动态出端口和队列缓冲区管理的系统和方法。对商用共享存储器缓冲区交换机中的缓冲资源的有效利用对于最小化数据包丢失至关重要。通过由自适应端口限制导出的自适应队列限制能实现对缓冲资源的有效利用。

Description

分级自适应动态出端口和队列缓冲区管理的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2011年12月20日提交的美国临时专利申请第61/577,702号和于2012年6月15日提交的美国专利申请第13/523,994号的优先权，将其全部内容结合于此供参考。
技术领域
本发明总体上涉及网络交换机，更具体地，涉及一种用于分级自适应动态出端口（egress port）和队列缓冲区管理的系统和方法。
背景技术
对数据通信基础设施的需求不断增长。在商用共享存储器片上缓冲交换机设计中，缓冲资源的有效利用是最小化帧丢失的关键因素。当超过交换机中的数据包缓冲区容量时，可备份数据包缓冲区且可能发生数据包丢失。应当理解，这种数据包丢失可能显著影响整个应用行为。
当今网络设备的趋势是每个端口不断增长的队列数。这例如可能通过网络基础设施中增长的虚拟化使用而产生。这种每个端口的队列数的上升会对可确定数据包丢失的潜在性的流量（traffic）管理能力产生不断增长的需求。
对于某些类型的流量，数据包丢失可对网络服务和应用产生很小甚至不产生影响。然而，在数据中心应用中，数据包丢失可能是不可接受的。因此，需要的是能实现分级自适应动态出端口和队列缓冲区管理的机制。
发明内容
本发明提供了一种能实现动态队列阈值限制的交换机，包括：共享存储器缓冲区；多个端口，所述多个端口中的第一端口耦接至具有多个虚拟机的网络装置，其中，所述多个虚拟机中的每个虚拟机具有与多个流量类别相关联的多个队列；以及控制模块，其确定针对所述多个虚拟机中的每个虚拟机的限制，其中，针对所述多个虚拟机中的第一虚拟机的虚拟机限制被确定为针对所述第一端口的端口限制的一部分（fraction，分数），通过将所述共享存储器缓冲区的未用剩余部分乘以分配给所述第一端口的突发吸收因子来确定针对所述第一端口的所述端口限制，所述控制模块还确定针对与所述第一虚拟机相关联的多个队列中的每个队列的队列限制，针对与所述第一虚拟机相关联的所述多个队列中的每个队列的所述队列限制表示针对所述第一虚拟机的所述虚拟机限制的一部分。
上述交换机中，所述第一虚拟机上的所述多个队列共享所述端口限制的分配的百分比。
上述交换机中，向所述第一虚拟机上的所述多个队列中的每个队列分配所述虚拟机限制的所述分配的百分比的一部分。
上述交换机中，所述突发吸收因子小于1。
本发明提供了一种动态队列阈值限制方法，包括：将突发吸收因子分配给交换机上的端口，所述端口经由网络通信线缆耦接至网络装置；识别所述交换机中的共享存储器缓冲区的未用部分的量；通过将分配给所述端口的所述突发吸收因子乘以所述共享存储器缓冲区的所述未用部分的所识别的所述量来确定针对所述端口的端口限制；确定针对所述网络装置上的虚拟机的虚拟机限制，所述虚拟机限制表示所确定的所述端口限制的一部分；以及确定针对与所述网络装置上的所述虚拟机相关联的多个队列中的每个队列的队列限制，其中，所分配的所述队列限制中的每个队列限制是所确定的所述虚拟机限制的一部分。
上述方法中，所述分配包括分配小于1的突发吸收因子。
本发明提供了一种能实现动态队列阈值限制的系统，包括：共享存储器缓冲区；多个端口，所述多个端口中的第一端口耦接至具有多个虚拟机的网络装置，其中，所述多个虚拟机中的每个虚拟机具有与多个流量类别相关联的多个队列；以及控制模块，其确定针对所述多个虚拟机上的所述多个队列中的每个队列的队列限制，其中，所述队列限制被确定为针对所述第一端口的端口限制的分数部（fractional part），通过将所述共享存储器缓冲区的未用剩余部分乘以分配给所述第一端口的突发吸收因子来确定所述端口限制，所述突发吸收因子小于1。
上述系统中，所述第一端口上的所述多个虚拟机中的每个虚拟机具有所述端口限制的分别分配的百分比。
上述系统中，与虚拟机相关联的一组队列共享针对所述虚拟机的所确定的限制的分配的百分比。
附图说明
为描述可获得本发明的上述及其他优势和特征的方式，将参照附图中示出的其具体实施方式给出以上简述的本发明的更具体描述。应理解，这些附图仅示出了本发明的典型实施方式，且因此不认为是对其范围的限定，将通过使用附图来描述和说明本发明的其他具体内容和细节，其中：
图1示出了通用交换机的实例性实施方式。
图2示出了刀锋交换机（blade switch）产品中的共享存储器交换机的实例性配置。
图3示出了本发明的过程的流程图。
具体实施方式
以下详细讨论本发明的各种实施方式。尽管讨论了具体实施，但应理解，这仅是为了说明的目的而进行的。相关领域技术人员将认识到在不背离本发明的精神和范围的前提下，可使用其他组件和配置。
如上所述，现今的很多交换机已设计成具有用于进入超额认购条件（oversubscribed condition）的潜能的配置。这是由于其结合可能超过交换机的数据包处理能力的高带宽I/O端口（例如，10GbE）的结果。
图1示出了交换机的实例性实施方式。如图所示，交换机100包括多个入端口（ingress port）110-1至110-M，其每个均可提供到其他网络装置的连接。作为一个实例，入端口110-1至110-M中的每一个均可提供到数据中心内的其他交换机的10GbE连接。类似地，交换机100包括多个出端口140-1至140-N，其每个均可提供到其他网络装置（例如，服务器）的连接。
如图所示，作为交换机100的I/O部分的一部分，包括入端口110-1至110-M和出端口140-1至140-N。交换机100的I/O部分被示出为逻辑上不同于交换机100的处理内核。如图所示，交换机100的处理内核包括数据包处理单元120-1、120-2和存储器管理器130。在一种实施方式中，数据包处理单元120-1、120-2对数据包执行实时操作，诸如成帧/解析、分类、流量监管和整形、修改、压缩/加密、排队等。也可通过数据包处理单元120-1、120-2进行控制操作，诸如转译（translation）、路由计算、路由表更新等。正如将理解的，交换机的处理内核的具体配置是与实现相关的。
在一种实施方式中，交换机100可被实施为共享存储器缓冲区交换机。在一种应用中，交换机可包括在刀锋交换机产品中，其中，交换机充当架顶式（TOR）角色。在该配置中，交换机可经由提供冗余生成树协议（STP）的拓扑的两个40G链路连接至网络。刀锋交换机产品也可包括可经由10G链路连接至TOR交换机的多个服务器。在一种配置中，共享存储器TOR交换机共享浅存储器缓冲区（例如，2-12MB）。
图2示出了这种刀锋交换机配置的一个实例。如图所示，共享存储器缓冲区交换机200经由提供冗余STP配置的外部40G端口210-1、210-2耦接至网络。交换机200还包括能使交换机200耦接至刀锋交换机产品中的多个服务器的多个内部端口220-1至220-N。为简单起见，图2仅示出了内部端口220-1到服务器240的单个连接。
如前所述，交换机满足当今网络环境的需求的一个挑战是每个端口不断增长的队列数。常规地，可定义端口上的多个队列以支持相应的多个服务流量类别。作为一个实例，单个服务器可具有支持八个不同流量类别的八个不同队列。
随着网络基础设施中逐渐增加的虚拟化使用，已发生每个端口的队列数量的显著上升。如图所示，在图2中，服务器240可被设计为支持多个虚拟机（VM）。这些VM中的每一个均可支持其自身的一组队列。因此，例如，若服务器240具有10个VM，且其每个VM支持八个不同队列，则端口220-1上的队列总数将是10个VM×8个队列/VM=80个总队列。支持单个端口上的该队列数对交换机200的流量管理能力具有越来越多的需求。交换机200无法适当管理端口220-1至220-N上的流量可能导致数据包丢失的显著实例。
对于具有浅存储器缓冲区的商用交换机，共享存储器缓冲区的适当分配是适当流量管理中的关键部分。一般地，共享存储器交换机可使用可用于所有交换机端口的逻辑上通用的数据包缓冲区。到达端口的数据包存储在由所有交换机端口共享的高速多端口存储器中。使用试图给每个端口所需的尽可能多的存储器的调度进程，由存储器管理器向来自共享存储器缓冲区的存储器动态分配数据包。可由存储器管理器通过对被分配至任何一个交换机端口的最大存储量的动态调整来防止不平等。若针对出端口来对数据包进行排队，而出端口已达到其最大存储器分配，则该数据包将被丢弃。
在本发明中，应当认识到，尽管当每个端口的队列数是有限的时，自适应队列限制能很好地合理工作，但其有效性随着每个端口的队列数增加而减小。更具体地，随着每个端口的队列数增加，静态端口限制开始对系统具有较大影响。随后，自适应队列限制的影响相比将减小。最终结果是支持伴随每个端口的多个队列的端口隔离可能导致数据包被交换机丢弃。
本发明的特征在于可提供可配置为能使每个端口隔离同时还支持每个队列动态阈值限制的交换机装置。本发明的动态阈值机制基于在共享存储器缓冲区中可用的缓冲区空间量。如图2的实例所示，共享存储器缓冲区230包括已用部分和未用部分。共享存储器缓冲区的未用部分表示可用于向出端口上的各个队列分配的存储器空间。
常规地，静态端口限制已被用于在各个端口之间提供隔离措施。如上所述，这些静态端口限制随着端口上的队列数增加而在影响上变得越发占主导。因此，静态端口限制开始减小可通过端口上的队列实现的自适应限制的影响。
在本发明中，为端口提供自适应端口限制。这些自适应端口限制基于共享存储器缓冲区的未用部分。在一种实施方式中，针对出端口的端口限制（PL）由PL=BAF*R确定，其中，BAF是所定义的突发吸收因子（burstabsorption factor），以及R是共享存储器缓冲区的未用剩余部分。在一个实例中，BAF小于或等于1。将理解，该实例并非旨在限定。一般地，突发吸收因子可被用于确定自适应端口限制，该自适应端口限制可相对于共享存储器缓冲区的未用剩余部分来调整以实现不同水平的突发吸收。
本发明的特征在于自适应端口限制（PL=BAF*R）也可被用于实现自适应队列限制。在一种实施方式中，针对端口的自适应队列限制基于对该具体端口的所确定的自适应端口限制来确定。更具体地，针对端口M上的队列的队列限制可被定义为QLi=αi*PLM，其中，α是可针对每个队列而指定的变量（<1）。在一种实施方式中，也可针对一组队列来指定分数变量α。在又一实施方式中，可针对单个虚拟机来指定分数变量α。在该实施方式中，可定义虚拟机限制（VML），其中，针对虚拟机N上的队列的队列限制可被定义为QLi=βi*VMLN，其中，β是可针对每个队列来指定的变量（<1）。此外，在本实施方式中，也可针对该具体虚拟机上的一组队列来指定分数变量β。
如上已描述，可采用自适应突发吸收来实现端口隔离，同时也向针对端口的每个队列的可用缓冲区提供平等访问。以此方式，可被用于端口上增长的队列数的自适应动态阈值在有效性上将不会减小，因为已消除了静态端口限制。
已描述了用于采用自适应每个队列的动态阈值限制来实现端口隔离的一种机制，现参照图3，其示出了本发明的过程的概述。如图所示，该过程始于步骤302，其中，突发吸收因子被分配给出端口。由于突发吸收因子被用于确定端口限制，所以突发吸收因子根据所需的端口隔离类型遍及所有出端口可以是静态的或动态的。
接下来，在步骤304中，识别交换机中共享存储器缓冲区的未用部分。如上所述，对共享存储器缓冲区的未用部分的这一识别对端口限制的确定提供了自适应动态机制。这与传统静态端口限制形成对比，已知传统静态端口限制在端口上的队列数大幅增加时主导自适应队列限制的影响。
在步骤306中，使用所分配的突发吸收因子和共享存储器缓冲区的未用剩余部分来确定针对具体端口的端口限制。这里，可使用PL=BAF*R的实例性计算来进行对自适应端口限制的确定。一旦建立了自适应端口限制，则随后即可使用该自适应端口限制来确定针对出端口上的队列的自适应队列限制。
如上所述，各种机制可被用于确定自适应队列限制。在各种实例中，可基于单个分配的变量、组分配的变量、虚拟机特定变量等来确定自适应队列限制。
这里，重要的是自适应队列限制由本身被设计为自适应动态的端口限制导出。这种导出的结果是不由静态端口限制来限定的自适应队列限制。
本发明的另一实施方式可提供一种机器和/或计算机可读存储器和/或介质，其上存储有具有可由机器和/或计算机执行的至少一个代码段的机器代码和/或计算机程序，从而使机器和/或计算机执行如本文所述的步骤。
通过阅读之前的详细描述，本发明的这些和其他方面对于本领域技术人员而言将变得显而易见。尽管上文已描述了本发明的一些显著特征，但本发明可具有其他实施方式，且以在阅读了本公开的发明之后对本领域普通技术人员而言将是显而易见的各种方式来实施和执行，因此，以上描述不应被视为排除了这些其他实施方式。此外，应当理解，本文所采用的措辞和术语是为了描述的目的，且不应被视为限定。

Claims (9)

1.一种能实现动态队列阈值限制的交换机，包括：
共享存储器缓冲区；
多个端口，所述多个端口中的第一端口耦接至具有多个虚拟机的网络装置，其中，所述多个虚拟机中的每个虚拟机具有与多个流量类别相关联的多个队列；以及
控制模块，其确定针对所述多个虚拟机中的每个虚拟机的限制，其中，针对所述多个虚拟机中的第一虚拟机的虚拟机限制被确定为针对所述第一端口的端口限制的一部分，通过将所述共享存储器缓冲区的未用剩余部分乘以分配给所述第一端口的突发吸收因子来确定针对所述第一端口的所述端口限制，所述控制模块还确定针对与所述第一虚拟机相关联的多个队列中的每个队列的队列限制，针对与所述第一虚拟机相关联的所述多个队列中的每个队列的所述队列限制表示针对所述第一虚拟机的所述虚拟机限制的一部分，
其中所述交换机能够配置为能实现所述多个端口中的所述第一端口的端口隔离。
2.根据权利要求1所述的交换机，其中，所述第一虚拟机上的所述多个队列共享所述端口限制的分配的百分比。
3.根据权利要求2所述的交换机，其中，向所述第一虚拟机上的所述多个队列中的每个队列分配所述虚拟机限制的所述分配的百分比的一部分。
4.根据权利要求1所述的交换机，其中，所述突发吸收因子小于1。
5.一种动态队列阈值限制方法，包括：
将突发吸收因子分配给交换机上的多个端口中的第一端口，所述多个端口中的所述第一端口经由网络通信线缆耦接至网络装置；
识别所述交换机中的共享存储器缓冲区的未用部分的量；
通过将分配给所述多个端口中的所述第一端口的所述突发吸收因子乘以所述共享存储器缓冲区的所述未用部分的所识别的所述量来确定针对所述多个端口中的所述第一端口的端口限制；
确定针对所述网络装置上的虚拟机的虚拟机限制，所述虚拟机限制表示所确定的所述端口限制的一部分；以及
确定针对与所述网络装置上的所述虚拟机相关联的多个队列中的每个队列的队列限制，其中，所分配的所述队列限制中的每个队列限制是所确定的所述虚拟机限制的一部分，
其中所述动态队列阈值限制方法能够配置为能实现所述多个端口中的所述第一端口的端口隔离。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述分配包括分配小于1的突发吸收因子。
7.一种能实现动态队列阈值限制的系统，包括：
共享存储器缓冲区；
多个端口，所述多个端口中的第一端口耦接至具有多个虚拟机的网络装置，其中，所述多个虚拟机中的每个虚拟机具有与多个流量类别相关联的多个队列；以及
控制模块，其确定针对所述多个虚拟机上的所述多个队列中的每个队列的队列限制，其中，所述队列限制被确定为针对所述第一端口的端口限制的一部分，通过将所述共享存储器缓冲区的未用剩余部分乘以分配给所述第一端口的突发吸收因子来确定所述端口限制，所述突发吸收因子小于1；
其中所述系统能够配置为能实现所述多个端口中的所述第一端口的端口隔离。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述第一端口上的所述多个虚拟机中的每个虚拟机具有所述端口限制的分别分配的百分比。
9.根据权利要求7所述的系统，其中，与虚拟机相关联的一组队列共享针对所述虚拟机的所确定的限制的分配的百分比。
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