CN103281398B - 数据中心网络泛在缓存方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种数据中心网络泛在缓存方法，包括以下步骤：S1：用户主机向数据中心网络发送文件读取请求，其中，读取请求中包括文件名称；S2：根据文件名称在数据中心网络的多个主机中搜索文件名称所对应文件的原始地址，并将根据原始地址读取与原始地址对应的文件；S3：将读取到的文件存在用户主机缓存中，并生成缓存控制协议；以及S4：当其它用户主机请求读取文件时，根据数据转发规则和数据转发规则从数据中心网络的多个用户主机中获得文件。根据本发明实施例的方法，通过缓存控制协议选取离请求用户主机最近的缓存主机，并从该缓存主机中读取数据，减少了网络流量的占用，同时其过程不需要集中控制器参与，因此保证了数据中心的可扩展性。
Description
技术领域
本发明涉及网络技术领域，特别涉及一种数据中心网络泛在缓存方法。
背景技术
随着数据中心规模的扩大，不仅主机和交换机设备数量剧增，应用程序的数量和种类同样变得愈来愈多，这对于数据中心网络性能提出了更加严峻的挑战。常见的基于内容的数据中心服务有分布式计算引擎MapReduce和分布式文件系统GFS等，其对网络带宽有极大需求，因此，网络带宽已经成为了影响数据中心性能的主要瓶颈。
现有解决方法主要集中在增加链路数目和链路带宽。以交换机为中心的新型拓扑结构，例如Fat-Tree(胖树)，VL2(虚拟链路层)或者以主机为中心的拓扑结构，例如，BCube(一种高性能的数据中心拓扑结构)，DCell(一种递归定义的数据中心拓扑结构)。另外，还有光链路策略，例如，c-Through(一种混合式数据包交换与电路交换拓扑结构)。但是，这些方法同时也会带来巨大的硬件开销和能耗开销。
采用缓存机制可以为数据中心网络有效的提升可用带宽能力，并且不占用任何网络资源。数据中心分布式文件系统，例如，GFS，对每个文件的拷贝存储数量有限，提供缓存可以有效的增加拷贝数量，利于“附近”主机直接读取数据。然而，由于数据中心文件系统的集中控制器(controller)负载过高，主机上的缓存机制需要自行管理数据存储、缓存一致性以及缓存数据发布等功能，不能为控制器添加如何额外负担。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。
为此，本发明的目的在于提出一种数据中心网络泛在缓存方法。
为达到上述目的，本发明的实施例提出一种数据中心网络泛在缓存方法，包括以下步骤：S1：用户主机向数据中心网络发送文件读取请求，其中，所述读取请求中包括文件名称；S2：根据所述文件名称在所述数据中心网络的多个主机中搜索所述文件名称所对应文件的原始地址，并根据所述原始地址读取与所述原始地址对应的文件；S3：将读取到的所述文件存在用户主机缓存中，并生成缓存控制协议，其中，所述缓存控制协议为根据存储所述文件的缓存主机与请求读取所述文件用户主机的位置关系选择所要读取文件的用户主机；以及S4：当其它用户主机请求读取所述文件时，根据所述数据转发规则和数据转发规则从所述数据中心网络的多个用户主机中获得所述文件。
本发明的一个实施例中，每个用户请求读取文件到所述文件时，将所述文件存在缓存中，生成所述文件的相对地址，并将所述相对地址与所述原始地址关联起来。
本发明的一个实施例中，所述步骤S3进一步包括：所述用户主机通过自身的循环进程对用户的文件读取请求进行监听，并与所述数据中心网络的控制器进行通信，以生成缓存控制协议。
本发明的一个实施例中，当所述多个相对地址的任意多个主机将所述文件删除时，从剩余的相对地址中选择与请求读取文件的所述用户主机最近的相对地址，并从所述相对地址所对应的用户主机中读取文件。
本发明的一个实施例中，当所述用户主机发送的读取请求次数大于预设次数，且未从所述多个相对地址所对应的用户主机中获取请求文件时，从所述原始地址对应的主机中获得请求文件。
本发明的一个实施例中，所述缓存的数据量超过预设值时，通过LRU规则删除最近最少使用的数据。
根据本发明实施例的方法，通过缓存控制协议选取离请求用户主机最近的缓存主机，并从该缓存主机中读取数据，减少了网络流量的占用，同时其过程不需要集中控制器参与，因此保证了数据中心的可扩展性。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的数据中心网络泛在缓存方法的流程图；
图2为根据本发明一个实施例的数据中心网络CCDN的示意图；
图3为根据本发明一个实施例的循环进程CCDN service的数据处理流程图；
图4为根据本发明一个实施例的缓存控制协议CCCP的数据包格式示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图详细描述根据本发明实施例的数据中心网络泛在缓存方法。
图1为根据本发明一个实施例的数据中心网络泛在缓存方法的流程图。如图1所示，根据本发明实施例的数据中心网络泛在缓存方法，包括以下步骤：
步骤101，用户主机向数据中心网络发送文件读取请求，其中，读取请求中包括文件名称。
具体地，用户主机启动两个循环监听进程，其中，一个循环进程，监听由用户主机的应用层程序所发出的文件读取请求，根据该请求中的文件内容名称F，并与数据中心网络的控制器FC进行通信，获得存储文件的原始主机(original server)位置OL，并发送内容请求数据包，另一循环进程，监听由CCDN返回的内容请求数据包、内容回复数据包，内容完成数据包以及内容拒绝数据包，并作出相应的处理。
在本发明的一个实施例中，内容请求数据包包括以下顺序排列的数据项为：IP头部IH，CCDN缓存控制协议头部CH，其中，IP头部IH中的协议名称字段设置为CCCP(CCDNcaching control protocol，CCDN缓存控制协议)，目的地址字段设置为存储文件原始主机位置OL，源地址字段设置为客户主机位置CLL；CCDN缓存控制协议头部CH中的类型设置为请求(request)。图4为根据本发明一个实施例的缓存控制协议CCCP的数据包格式示意图。如图4所示，缓存控制协议CCCP包括多个数据。
在本发明的一个实施例中，内容回复数据包包括以下顺序排列的数据项为：IP头部IH，CCDN缓存控制协议头部CH，其中，IP头部IH中的协议名称字段设置为CCCP，目的地址字段设置为客户主机位置CLL，若提供文件主机为缓存主机，则源地址字段设置为CAL，若提供文件主机为原始主机，则源地址字段设置为OL；CCDN缓存控制协议头部CH中的类型设置为回复(reply)。
在本发明的一个实施例中，内容回复数据包包括以下顺序排列的数据项为：IP头部IH，CCDN缓存控制协议头部CH，其中，IP头部IH中的协议名称字段设置为CCCP，若提供文件主机为缓存主机，则目的地址字段设置为CAL，若提供文件主机为原始主机，则目的地址字段设置为OL，源地址字段设置为客户主机CLL；CCDN缓存控制协议头部CH中的类型设置为完成(finish)。
在本发明的一个实施例中，内容拒绝数据包包括以下顺序排列的数据项为：IP头部IH，CCDN缓存控制协议头部CH，其中：IP头部IH中的协议名称字段设置为CCCP，目的地址字段设置为客户主机位置CLL，源地址字段设置为缓存主机位置CAL；CCDN缓存控制协议头部CH中的类型设置为拒绝(reject)。
步骤102，根据文件名称在数据中心网络的多个主机中搜索文件名称所对应文件的原始地址，并根据原始地址读取与原始地址对应的文件。
具体地，该用户主机是第一个读取该文件的用户主机时，请求读取该文件用户主机通过建立TCP连接进行数据的读取。图2为根据本发明一个实施例的数据中心网络CCDN的示意图。数据中心网络CCDN的运作过程如图2所示。
步骤103，将读取到的文件存在用户主机缓存中，并生成缓存控制协议，其中，缓存控制协议为根据存储文件的缓存主机与请求读取文件用户主机的位置关系选择所要读取文件的用户主机。
图3为根据本发明一个实施例的循环进程CCDN service的数据处理流程图。循环进程CCDN service的数据处理如图3所示。
缓存控制协议主要用来通过发送内容请求包，内容回复包，内容完成包以及内容拒绝包完成文件的定位和读取，更新读取路径上交换机的内容转发表，同时管理读取文件的缓存。
缓存控制协议的生成和其数据处理过程如下步骤：
步骤201，根据循环进程CCDN service所截取的文件内容名称F，与数据中心网络的控制器FC进行通信，获得存储该文件的原始主机位置OL和该文件当前版本号V。
步骤202，循环进程CCDN service根据文件名称F和存储该文件的原始主机位置OL，向数据中心网络发送内容请求数据包Preq，其中，目的地址设置为OL，源地址设置为客户主机地址CLL，内容名称设置为F。
步骤203，若循环进程CCDN service收到数据中心网络CCDN返回的内容回复数据包Prep，则从该内容回复数据数包Prep提取源地址字段信息SL，然后循环进程CCDN service建立TCP连接进行文件F的读取操作，该TCP连接的目的地址字段设置为SL，源地址字段设置为客户主机位置CLL，同时将该TCP连接读取到的文件数据内容存入本地缓存空间。
步骤204，当步骤203中TCP连接完成时，循环进程CCDN service发送内容完成数据包Pfin，其中，目的地址字段设置为SL，源地址字段设置为CLL，文件名称字段设置为F，同时，循环进程CCDN service向客户主机应用层程序返回读取成功指示，读取完毕。
步骤205，若循环进程CCDN service收到数据中心网络CCDN返回的内容请求数据包Preq，则从该内容请求数据包Preq提取文件内容名称Freq和源地址信息SLL，并在本地缓存空间和文件存储空间查询Freq，若查询成功，则循环进程CCDN service发送内容回复数据包Prep，其中，目的地址字段设置为SLL，源地址字段设置为循环进程CCDN service所在主机位置CLL；若查询失败，则循环进程CCDN service发送内容拒绝数据包Prej，其中，目的地址字段设置为SLL，源地址字段设置为循环进程CCDN service所在主机位置CLL。
步骤104，当其它用户主机请求读取文件时，根据缓存控制协议和数据转发规则从数据中心网络的多个用户主机中获得文件。
具体而言，每个用户主机请求读取文件到文件时，将文件存在缓存中，生成文件的相对地址，并将相对地址与原始地址关联起来，即生成缓存控制协议。当多个相对地址的任意多个主机将文件删除时，从剩余的相对地址中选择与请求读取文件的用户主机最近的相对地址，并从相对地址所对应的用户主机中读取文件。
数据转发规则是指交换机对内容请求包，内容回复包，内容完成包和内容拒绝包的转发方式在转发的同时更新交换机的内容转发表。对于内容请求包，交换机先查询内容转发表，若查询成功则直接转发，若查询失败则查询位置转发表进行转发。对于其他三种内容包，都直接查询位置转发表进行转发。其中，在转发内容回复包和内容完成包时会在内容转发表中加入新表项，在转发拒绝包时会清楚内容转发表中对应的过期表项。
在本发明的一个实施例中，当用户主机发送的读取请求次数大于预设次数，且未从多个相对地址所对应的用户主机中获取请求文件时，从原始地址对应的主机中获得请求文件。缓存的数据量超过预设值时，通过LRU规则删除最近最少使用的数据。
在本发明的一个实施例中，循环进程CCDN service收到数据中心网络CCDN返回的内容拒绝数据包Prej，则CCDN service重新发送内容请求数据包Preq，其中，目的地址设置为OL，源地址设置为客户主机地址CLL，内容名称设置为F。如果循环进程CCDN service连续收到预定次数，例如3次内容拒绝数据包，则CCDN service直接与存储文件F的原始主机建立TCP连接进行文件读取，该TCP连接目的地址字段设置为OL，源地址字段设置为CLL。
在本发明的一个实施例中，应用层程序从分布式文件系统(DFS)中读取文件数据。CCDN service作为主机上的缓存服务，可以作为一个中间层(shim layer)实现在应用层程序与分布式文件系统之间，负责为应用层数据读取文件并缓存在本地缓存空间。CCDNservice重载了原分布式文件系统中的主机服务，对上层透明。CCDN service可以实现为两个监听进程，每个进程对应着当前主机的角色：客户主机或目标主机。
客户主机上的应用层程序读取文件的操作过程不需改变。在CCDN service截获了应用层程序的读文件请求后，首先通过发送内容请求数据包来获得“最近”的文件所在主机(目标主机)--这个主机既可能是缓存主机(caching server)，也可能是存储该文件的原始主机(origin server)，若收到内容回复数据包，则CCDN service执行与原分布式文件系统主机服务同样的读取操作，即与目标主机建立连接进行文件传输。同时，对于读入的文件数据内容，CCDN service将其存入本地缓存空间，若缓存空间已满，则根据LRU(最近最少使用)原则进行更新。对于该发明的缓存一致性问题，则由数据中心网络转发规则(CCDNforwarding)来解决。若CCDN service收到内容拒绝数据包，则再次发送内容请求数据包，为了保证文件读取的可靠性，在客户主机上的CCDN service连续收到3次内容拒绝数据包后(即当前“附近”的缓存主机大都不再含有该文件)，则直接与存储该文件的原始主机完成文件读取操作。对于读取成功的文件，客户主机上的CCDN service将最后发送一个内容完成数据包，用以更新数据中心网络(CCDN)中各交换机的转发表。这里CCDN service的所有操作对于分布式文件系统集中控制器和主机应用程序都是透明的，保证透明性使得该方法可以快速无缝的部署在现有数据中心中。
对于目标主机上的CCDN service，需要负责对收到的内容请求数据包给予响应：或者返回内容回复数据包，或者返回内容拒绝数据包。CCDN service在本地文件系统和缓存空间中查询内容请求数据包中所含有的文件名，若查询成功，则返回内容回复数据包，反之，则返回内容拒绝数据包，该操作同样对目标主机中的应用层程序和分布式文件系统集中控制器透明。
为了完成上述任务并配合数据中心网络转发规则(CCDN forwarding)，需要实现CCDN缓存控制协议(CCCP)。该协议包含四种数据包：内容请求数据包、内容回复数据包、内容完成数据包和内容拒绝数据包。
客户主机的执行流程如以下步骤：
(1)CCDN service截取应用层程序发来的文件读取请求，提取文件名。
(2)CCDN service与数据中心分布式文件系统集中控制器通信，获得存储该文件的原始主机位置及版本号。
(3)CCDN service向CCDN发起内容请求数据包。
(4)若CCDN service收到内容回复数据包，则向目标主机发起TCP连接进行文件读取。
(5)TCP连接完成后，CCDN service将文件句柄返回给应用层程序，同时向CCDN发送内容完成数据包，文件读取操作完毕。
(6)若CCDN service收到内容拒绝数据包，则重新发送内容请求数据包，循环进程CCDN service连续收到预定次数，例如3次内容拒绝数据包，则直接与原始主机建立TCP连接进行文件读取。
目标主机的执行流程如以下步骤所示：
(1)若CCDN service收到内容请求数据包，则在本地分布式文件系统和本地缓存空间进行查询所需文件，若查询成功，则返回内容回复数据包，若查询失败，则返回内容拒绝数据包。
(2)若CCDN service收到内容完成数据包，不作任何处理。
根据本发明实施例的方法，通过缓存控制协议选取离请求用户主机最近的缓存主机，并从该缓存主机中读取数据，减少了网络流量的占用，同时其过程不需要集中控制器参与，因此保证了数据中心的可扩展性。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (4)
1.一种数据中心网络泛在缓存方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：用户主机向数据中心网络发送文件读取请求，其中，所述读取请求中包括文件名称；
S2：根据所述文件名称在所述数据中心网络的多个主机中搜索所述文件名称所对应文件的原始地址，并根据所述原始地址读取与所述原始地址对应的文件；
S3：将读取到的所述文件存在用户主机缓存中，并生成缓存控制协议，其中，所述缓存控制协议为根据存储所述文件的缓存主机与请求读取所述文件用户主机的位置关系选择所要读取文件的用户主机，其中，每个用户主机读取到文件时，将所述文件存在缓存中，生成所述文件的相对地址，并将所述相对地址与原始地址关联起来，以生成所述缓存控制协议；以及
S4：当其它用户主机请求读取所述文件时，根据所述缓存控制协议和数据转发规则从所述数据中心网络的多个用户主机中获得所述文件，其中，所述数据转发规则为交换机对内容请求包、内容回复包、内容完成包和内容拒绝包的转发方式在转发的同时更新交换机的内容转发表。
2.如权利要求1所述的数据中心网络泛在缓存方法，其特征在于，当所述多个相对地址的任意多个主机将所述文件删除时，从剩余的相对地址中选择与请求读取文件的所述用户主机最近的相对地址，并从所述相对地址所对应的用户主机中读取文件。
3.如权利要求1所述的数据中心网络泛在缓存方法，其特征在于，当所述用户主机发送的读取请求次数大于预设次数，且未从所述多个相对地址所对应的用户主机中获取请求文件时，从所述原始地址对应的主机中获得请求文件。
4.如权利要求1所述的数据中心网络泛在缓存方法，其特征在于，所述缓存的数据量超过预设值时，通过LRU规则删除最近最少使用的数据。
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