CN103179517A - 一种数据中心的无线组播方法 - Google Patents

Abstract

一种数据中心的无线组播方法，在数据中心网络机架顶层路由器上添加全向天线，使得机架间的组播数据通过无线信道进行传输，机架内部服务器之间的组播数据传输通过原有的有线链路进行传输，本发明利用无线网络一到多的传输优势，使得机架之间的组播数据可以通过无线方式进行传播，从而充分利用了数据中心网络设备集中的特点，解决了无线网覆盖范围不足的问题，能够保证所有的希望收到组播数据的机架顶层路由器都能够接收到数据，提高了信道的利用率，提升了无线组播的性能，使得无线组播的性能不再受到最差信道的限制，通过选择适当的转发机架路由器和相应的速率进行转发，对传输速率和传输范围进行折中，提升了无线组播性能。

Description

一种数据中心的无线组播方法

技术领域

本发明属于网络体系结构技术领域，特别涉及一种数据中心的无线组播方法。

背景技术

随着越来越多的应用被整合到云计算中，数据中心扮演了一个越来越重要的角色。而涉及到一对多的组播模式的应用在现在的数据中心网络中相当普遍。例如，分布式文件系统，比如Google，Hadoop中的HDFS，Microsoft的COSMOS等都会产生大量的一对多的信息传递。在线网络搜索在需要将搜索队列重新定位到索引的服务器节点时也涉及到许多组间的信息传递。尽管前面几十年，网级别的组播发展有很多障碍，而且有一些例如拥塞控制，价格模型和安全性等开放问题，然而最近IPTV中IP组播的成功应用，以及数据中心网络中节点的结构特性，都使许多研究者将他们的注意力集中到了数据中心网络组播中来节省网络流量和提高应用的吞吐量。

传统的以太网数据中心网络通常链路连接稠密，有大量的数据链路传输失败，而导致了数据中心网络的性能很差。近年来，为了提高数据中心网络的服务性能，组播在数据中心网络中的应用得到了很大的关注，但是这些组播技术都是基于传统的以太网数据中心网络。比如在BCube为拓扑结构的数据中心网络中，人们提出了建立基于服务器的组播树的算法。而Vigfusson等人提出了一种称为Dr.Multicast的可拓展的数据中心组播机制。它将传统的IPMC操作映射为或者是使用一种新的点到点的多发单播机制，或者是映射为一个传统的IPMC地址。在Dr.Multicast中其使用组播机制部分依赖于硬件的容量。而李丹等人提出的数据中心组播机制，充分利用了数据中心网络的特点，并且使用了in-packet bloom filter技术，这种机制使得组播的稳定性得到了一定程度的提高。但是，由于传统以太网数据中心网络的规模很大，组播组的数量也很大，要在传统的数据中心网络中保存组播组的状态变得很难实现，而且所有的组播机制都不可避免的要遭受大量的网络拥塞和链路传输失败。由于无线网络具有快捷高效、组网灵活等特点，无线网络在我国获得了飞速的发展。在无线网络中同一个局域网内的节点可以通过无线广播同时收到信息。基于无线广播对于数据组播的优势，在传统的数据中心网络中加入无线成分来提高组播性能具有很强的现实意义。

目前，在传统的数据中心网络中加入非以太网的无线链路连接来提高数据中心网络的性能得到了越来越多的推广。受无线广播的启发，即处于数据源节点的传输范围内的节点能同时收到数据，由此提出了一种在数据中心网络中实现组播的方式。

在实现本发明过程中，发明人发现现有的组播机制应用到数据中心网络中至少存在以下不足：

1）在现有的有线数据中心网络中，直接使用组播方式进行传播容易遭受网络拥塞和链路传输失败，组播组的状态也很难实现。

2）而将现有的在其他类型的无线网络中进行的组播机制的研究直接引入无线数据中心网络则不能保证所有的组播节点能够接收到所有的有效数据，而且传统的直接使用无线广播实现无线组播的方式则不能实现多跳传播。

另一方面，原有的无线组播也存在一些问题需要解决：

1）尽管在数据中心网络中，所有的服务器和路由器都集中在一个比较小的范围内，但当某个设备开始通过无线信道广播数据的时候，依然可能存在不在其传输范围内的设备。需要通过中继和多跳的方式使得所有目的节点都能接收到组播数据。

2）无线信道的差异性，使得不同的接收节点接收到数据的丢包率不同，从而可能使得无线组播的性能受到最差信道的限制。通过适当的技术，充分利用较好的信道进行传输，提升无线组播的性能。

3）现有的无线协议支持多种不同的传输速率，不同的传输速率对应不同的传输范围，传输速率较大时，传输范围可能比较小，相反，传输速率小时传输范围可能比较大。需要适当选择不同的传输速率，提升无线组播的性能。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种数据中心的无线组播方法，通过在数据中心网络机架路由器上添加全向天线，实现组播数据在机架间通过无线链路传播，在机架内通过原有的有线链路进行传输的方式，充分利用无线广播一到多传播的优势，实现无线数据中心网络组播，从而充分利用数据中心网络设备集中的特点，提升数据中心组播的性能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种数据中心的无线组播方法，在数据中心网络机架顶层路由器上添加全向天线，使得机架间的组播数据通过无线信道进行传输，机架内部服务器之间的组播数据传输通过原有的有线链路进行传输。

所述组播数据在数据中心网络中依次按以下步骤实现传输：

步骤（1）：源服务器w_s将组播数据发送到与其通过有线链路相连的机架顶层服务器s；

步骤（2）：根据组播组成组成员确定要组播的目的顶层路由器集合G={g₁,g₂,...}；

步骤（3）：机架顶层服务器s将组播数据通过无线广播的方式广播到所有其他与目标服务器相连的机架顶层路由器；

步骤（4）：与目标服务器相连的机架顶层路由器接收到完整数据时，该机架顶层路由器将组播数据通过原有的有线链路转发到目标服务器。

为提高信道的利用率，引入如下流间网络编码方式：

假定需要发送的组播数据包含K个原始数据包{p_i}，i=1,2,...,K，在发送组播数据之前，源节点对这K个数据包通过随机线性组合的方式产生编码数据包，即编码数据包为

接收节点每接收一个数据，首先检查该数据是否与原来接收的数据线性无关，如果是线性无关的数据，加入到缓存中，否则丢弃；当接收节点的缓存有K个线性无关的数据时，通过矩阵求逆的方式，求得原始数据包，即 $\left[\begin{array}{ccc}{p}_1& & \\ \·& \·& \·\\ p_K& & \end{array}\right]={\left[\begin{array}{ccccccccc}{c}_{11}& \·& \·& \·& c_{1K}& & & & \\ \·& \·& \·& \·& \·& \·& \·& \·& \·\\ c_{K1}& \·& \·& \·& c_{\mathrm{KK}}& & & & \end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{ccc}{p}_1^{\′}& & \\ \·& \·& \·\\ p_K^{\′}& & \end{array}\right].$

当希望接收组播数据的机架路由器不在发送组播数据的机架路由器的无线通信覆盖范围内时，以能够接收到完整组播数据的机架路由器为中继转发节点，进行数据转发。

数据转发利用基于位置的速率选择算法，将包括源服务器所连接机架路由器在内的所有完全接收到组播数据的机架顶层路由器称为饱和成员，首先计算饱和成员的位置中心，即源中心，以及所有希望接收组播数据机架路由器的加权中心，即目的中心，进而计算从源中心到目的中心的方向向量，即主方向，在选择速率时，选择那些能够使得数据传播速率在主方向上最大的速率进行传播，其中：

源中心 $C_s=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{s_i\∈S}(x_{s_i},y_{s_i})}{\left|\right|S\left|\right|}$

目的中心 $C_d=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{g_i\∈D}(x_{g_i},y_{g_i})*\mathrm{dis}\left(g_i\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{gi}\∈D}\mathrm{dis}\left(g_i\right)}$

主方向 ${\stackrel{\→}{M}}_d=(C_d-C_s)/\left|(C_d-C_s)\right|$

公式中，S为饱和成员集合，S={s₁,s₂，...}，相应位置为

$\{(x_{s_1},y_{s_1}),(x_{s_2},y_{s_2}),\·\·\·\},$ G={g₁,g₂，...}，相应位置为 $\{(x_{g_1},y_{g_1}),(x_{g_2},y_{g_2}),\·\·\·\},$ D为所有不饱和成员的集合，即D=G-S，dis(g_i)为为组播成员g_i到最近的饱和节点的距离。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）利用无线网络一到多的传输优势，使得机架之间的组播数据可以通过无线方式进行传播，从而充分利用了数据中心网络设备集中的特点，提升了数据中心组播的性能。

（2）解决了无线网覆盖范围不足的问题，能够保证所有的希望收到组播数据的机架顶层路由器都能够接收到数据。

（3）克服了无线信道质量多样性的限制，引入流间网络编码，提高了信道的利用率，提升了无线组播的性能，使得无线组播的性能不再受到最差信道的限制。

（4）利用基于位置的速率选择算法，选择适当的转发机架路由器和相应的速率进行转发，从而对传输速率和传输范围进行折中，提升无线组播的性能。

附图说明

图1是本发明的硬件部署示意图。

图2是本发明的总体流程图。

图3是本发明所用的流间网络编码示意图。

图4是本发明定义的发送节点集合选择示意图，在无线顶层路由器之间实现组播时，为提高传输效率，所有数据都是经过网络编码以后进行传播。

图5是本发明定义的中继节点转发时间选择图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明数据中心的无线组播方法，是通过在数据中心网络机架顶层路由器上添加全向天线，使得机架间的组播数据通过无线信道进行传输，机架内部服务器之间的组播数据传输通过原有的有线链路进行传输，硬件结构如图1所示。

数据传输总体流程如图2所示：

步骤（1）：源服务器w_s通过有线方式将组播数据发送到与其通过有线链路相连的机架顶层服务器s；

步骤（2）：根据组播组成组成员确定要组播的目的顶层路由器集合G={g₁,g₂,...}；

步骤（3）：机架顶层服务器s将组播数据通过无线广播的方式广播到所有其他与目标服务器相连的机架顶层路由器；

步骤（4）：由于无线通信存在覆盖范围，因此当某个机架路由器通过无线广播方式传播组播数据时，可能存在一些希望接收组播数据的机架路由器不在覆盖范围内，不能接收到组播数据。故需要判断是否所有的目的顶层路由器均已接收到全部组播数据，如果是，则目的顶层路由器将组播数据通过原有的有线链路转发到目标服务器；如果不是，转入步骤（5）；

步骤（5）：选择那些已经接收到完整组播数据的目的顶层路由器作为中继节点，确定转发时间，进行数据转发，从而保证所有的希望收到组播数据的机架顶层路由器都能够接收到数据。

随着接收到组播数据的机架顶层路由器的增加，越来越多的机架顶层路由器变为饱和节点，这些饱和节点可以被选作中继转发节点给尚未完全接收数据的机架顶层路由器发送数据。本发明机架间数据传播的无线组播方案是依次按照以下步骤实现的：

步骤（1）：无线组播初始化：获得所有机架顶层路由器的位置；所有可能传输的速率集合

从任意一个组播成员（机架顶层路由器）s_i到g_i的传播链路在传输速率为

的包传输概率为

si以速率

广播数据时的传输范围和干扰范围，以和

分别表示s_i以速率

广播数据时能够从s_i接收到数据的组播成员集合和受s_i影响的组播成员的集合；开始时，饱和成员只有与源服务器w_s相连的机架顶层服务器s，即开始时S={s}。

步骤（2）：计算源中心

$C_s=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{s_i\∈S}(x_{s_i},y_{s_i})}{\left|\right|S\left|\right|}$

步骤（3）：计算目的中心

$C_d=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{g_i\∈D}(x_{g_i},y_{g_i})*\mathrm{dis}\left(g_i\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{g_i\∈D}\mathrm{dis}\left(g_i\right)}$

公式中，S为饱和成员集合，S={s₁,s₂,...}，相应位置为

$\{(x_{s_i},y_{s_1}),(x_{s_2},y_{s_2}),\·\·\·\},$ G={g₁,g₂,...}，相应位置为 $\{(x_{g_1},y_{g_1}),(x_{g_2},y_{g_2}),\·\·\·\},$ D为所有不饱和成员的集合，即D=G-S，dis(g_i)为为组播成员g_i到最近的饱和节点的距离。

本发明中的数据中心机架顶层路由器之间的组播数据传输通过无线组播的方式进行传输，某个机架顶层路由器接收到完整数据时，其他一些机架顶层路由器可能不能接收到完整数据，此时接收到完整数据的机架顶层路由器可以被选作中继转发节向尚未接收到完整数据的机架顶层路由器发送数据。由于同样采用上述流间网络编码，切换数据源不会影响数据的最终接收，从而保证了数据的传输，同时也可以摆脱最差信道的限制，提高无线组播的性能，见图3。

步骤（4）：计算主方向，即从源中心到目的中心的方向向量，其计算方式为

${\stackrel{\→}{M}}_d=(C_d-C_s)/\left|(C_d-C_s)\right|$

步骤（5）：如图4所示，对于任意饱和成员si，任意非饱和成员g_i，计算从源

到目的

的传输方向为

$\stackrel{\→}{D}(C_s,g_j)=(x_{g_j}-x_s,y_{g_j}-y_s)$

其中通过步骤（2）计算得到C_s=(x_s,y_s)。

步骤（6）：对于任意饱和成员s_i，任意非饱和成员g_i，任意可能的传输速率

若非饱和成员g_i在饱和成员s_i传输速率

时的传输范围内，计算s_i以速率

广播组播数据时，g_i从s_i接收数据，那么g_i的接收速率为

${\mathrm{\γ}}_{s_i,g_j}\left({\mathrm{\γ}}_{s_i}\right)p_{s_i,g_j}\left({\mathrm{\γ}}_{s_i}\right)*{\mathrm{\γ}}_{s_i}$

计算从源

到目的

在主方向

上的扩散速率为

$v_i(s_i,g_j,{\mathrm{\γ}}_{s_i},{\stackrel{\→}{M}}_d)={\mathrm{\γ}}_{s_i,g_j}\left({\mathrm{\γ}}_{s_i}\right)*\max \{\stackrel{\→}{D}(C_s,g_j),0\}$

步骤（7）：计算传输节点集合F和相应的传输速率集合R

a.初始化：令:U=S，

b.对于每一个满足的s_i∈U，

且的节点-速率对计算s_i以速率

广播数据时，从s_i接收数据的组播成员的总的接收速率

$r(s_i,{\mathrm{\γ}}_{s_i})=\underset{g_j\∈N(s_i,{\mathrm{\γ}}_{s_i})}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\γ}}_{s_i}*p_{s_i,g_j}\left(r_i\right)$

用r^*记录其最大值，(s,r)^**记录其对应的节点-速率对；计算s_i以传输速率

向其覆盖范围内的组播成员传输组播数据的总的扩散速率为

$\hat{v}(s_i,{\mathrm{\γ}}_{s_i}\text{,}{\stackrel{\→}{M}}_d)=\underset{g_j\∈N(s_i,{\mathrm{\γ}}_{s_i})}{\mathrm{\Σ}}v(s_i,g_j,{\mathrm{\γ}}_{s_i},{\stackrel{\→}{M}}_d)$

并用v^*记录其最大值，(s,r)^*记录其对应的节点-速率对。

c.如果v^*>0，则令(s₀,r₀)=(s,r)^*；否则如果r^*>0，则令(s₀,r₀)=(s,r)^**,若v^*<0且r^*<0转到e；

d.令F=F+{s₀}；R=R+{r₀}；U=U-{s₀}；转到b；

e.传输节点集合选择算法结束，得到的F即为转发集，R即为该F所对应的数据传输率集。

步骤（8）：如图5所示，计算以当前传输节点集合F和相应的传输速率集合R传输组播数据的时间：

a.获取未饱和成员g_j需要接收数据包的数量N_j，即g_j再接收N_j个数据包就可解码出完整的组播数据，设置调度切换频率参数θ

b.计算当前所有未饱和成员总的有效接收速率

$r{(F,R)}_b={\mathrm{\&Sigma;}}_{s_i\&Element;F}{\mathrm{\&Sigma;}}_{g_i\&Element;V(F,R,s_i)}{p}_{s_i,g_j}\left({\mathrm{\&gamma;}}_{s_i}\right)*{\mathrm{\&gamma;}}_{s_i}$

其中V(F,R,s_i)为：当传输节点集合为F，相应的传输速率为R时，在s_i以传输速率的覆盖范围内的有效节点集合。

c.对F中的每一个节点，例如s_i，其对应的(F,R,s_i)中的每个节点g_j，利用公式

计算其所需要的时间t_i，并放入集合T中

d.令r^*(F,R)_b=r(F,R)_b

e.选出T中的最小时间t_i，使时间t=t_i，利用公式

$r^{*}{(F,R)}_b=r^{*}{(F,R)}_b-(p_{s_i,g_j}\left({\mathrm{\&gamma;}}_{s_i}\right)*{\mathrm{\&gamma;}}_{s_i})$

更新r^*(F,R)_b，并将t_i从集合T中移除

f.如果r^*(F,R)_b满足r^*(F,R)_b>(1-θ)*r(F,R)_b，则重复e

g.依据上面所计算出来的t即为以当前传输节点集合F和相应的传输速率集合R传输组播数据的时间

步骤（9）：以步骤（7）、（8）确定的传输节点集合F和相应的传输速率集合R和传输时间t进行广播，即所有s_i∈F，i=1,2,...,|F|按照传输速率集合R中确定的速率同时广播组播数据，广播时长为t

步骤（10）：重新确定饱和成员集合为S={s₁,s₂,...}，若饱和成员集合包含全部无线组成员G={g₁,g₂,...}，无线组播部分完成，结束；否则转到步骤（2）。

Claims (5)

1.一种数据中心的无线组播方法，其特征在于，在数据中心网络机架顶层路由器上添加全向天线，使得机架间的组播数据通过无线信道进行传输，机架内部服务器之间的组播数据传输通过原有的有线链路进行传输。

2.根据权利要求1所述的数据中心的无线组播方法，其特征在于，所述组播数据在数据中心网络中依次按以下步骤实现传输：

步骤（1）：源服务器w_s将组播数据发送到与其通过有线链路相连的机架顶层服务器s；

步骤（2）：根据组播组成组成员确定要组播的目的顶层路由器集合G={g₁,g₂,...}；

步骤（3）：机架顶层服务器s将组播数据通过无线广播的方式广播到所有其他与目标服务器相连的机架顶层路由器；

步骤（4）：与目标服务器相连的机架顶层路由器接收到完整数据时，该机架顶层路由器将组播数据通过原有的有线链路转发到目标服务器。

3.根据权利要求1或2所述的数据中心的无线组播方法，其特征在于，为提高信道的利用率，引入如下流间网络编码方式：

假定需要发送的组播数据包含K个原始数据包{p_i}，i=1,2，...,K，在发送组播数据之前，源节点对这K个数据包通过随机线性组合的方式产生编码数据包，即编码数据包为

接收节点每接收一个数据，首先检查该数据是否与原来接收的数据线性无关，如果是线性无关的数据，加入到缓存中，否则丢弃；当接收节点的缓存有K个线性无关的数据时，通过矩阵求逆的方式，求得原始数据包，即

4.根据权利要求3所述的数据中心的无线组播方法，其特征在于，当希望接收组播数据的机架路由器不在发送组播数据的机架路由器的无线通信覆盖范围内时，以能够接收到完整组播数据的机架路由器为中继转发节点，进行数据转发。

5.根据权利要求4所述的数据中心的无线组播方法，其特征在于，利用基于位置的速率选择算法进行数据转发，包括源服务器所连接机架路由器在内的所有完全接收到组播数据的机架顶层路由器称为饱和成员，首先计算饱和成员的位置中心，即源中心，以及所有希望接收组播数据机架路由器的加权中心，即目的中心，进而计算从源中心到目的中心的方向向量，即主方向，在选择速率时，选择那些能够使得数据传播速率在主方向上最大的速率进行传播，其中：

源中心 $C_s=\frac{{\mathrm{\&Sigma;}}_{s_i\&Element;s}(x_{s_i},y_{s_i})}{\left|\right|S\left|\right|}$

目的中心 $C_d=\frac{{\mathrm{\&Sigma;}}_{g_i\&Element;D}(x_{g_i},y_{g_i})*\mathrm{dis}\left(g_i\right)}{{\mathrm{\&Sigma;}}_{g_i\&Element;D}\mathrm{dis}\left(g_i\right)}$

主方向 ${\stackrel{\&RightArrow;}{M}}_d=(C_d-C_s)/\left|(C_d-C_s)\right|$

公式中，S为饱和成员集合，S={s₁,s₂,...}，相应位置为

$\{(x_{s_1},y_{s_1}),(x_{s_2},y_{s_2}),\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\},$ G={g₁,g₂，...}，相应位置为 $\{(x_{g_1},y_{g_1}),(x_{g_2},y_{g_2}),\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\},$ D为所有不饱和成员的集合，即D=G-S，dis(g_i)为为组播成员g_i到最近的饱和节点的距离。

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