CN104301254A

CN104301254A - 一种用于数据中心网络的数据包调度方法

Info

Publication number: CN104301254A
Application number: CN201410597868.4A
Authority: CN
Inventors: 郭棉; 彭志平; 李继凯; 柯文德
Original assignee: Guangdong University of Petrochemical Technology
Current assignee: Guangdong University of Petrochemical Technology
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-10-31
Publication date: 2015-01-21
Anticipated expiration: 2034-10-31
Also published as: CN104301254B

Abstract

本发明公开了一种用于数据中心网络的数据包调度方法，包括数据包入队过程和数据包出队过程。数据中心网络的服务系统的数据包队列由一个轻尾队列和一个重尾队列构成。数据包到达服务系统，触发数据包入队过程；系统有数据包等待发送，触发数据包出队过程。在所述数据包入队过程，系统根据数据包所属数据流的到达特性确定数据包应进入的队列，进一步根据该队列的入队规则将数据包放入队列。在所述数据包出队过程，系统根据队列调度策略选择其中一个队列，然后根据该队列的数据包调度策略选择队列内的一个数据包出队。这种方法能够对网络数据流提供延迟保障和提高网络的有效吞吐量，为用户提供具有服务质量保障的服务。

Description

一种用于数据中心网络的数据包调度方法

技术领域

本发明涉及基于分组包的通信网络的服务质量技术领域，具体指一种用于数据中心网络的数据包调度方法。

背景技术

随着云计算、大数据、社交网络等在线数据密集型应用的兴起和发展，数据中心网络的流量愈加复杂化、海量化。数据中心网络的中间节点，例如，汇聚层节点和核心层节点，既汇聚了可用指数分布来描述到达特性的轻尾流(Light-Tailed Flow)，又包括高波动性的不可用指数分布来描述到达特性的重尾流（Heavy-Tailed Flow）。数据流在这些节点的延迟已经成为一个十分重要的问题。

现有技术大多通过改进现有的互联网传输协议（TCP）来对数据中心网络提供服务质量。Alizadeh等人提出了按拥塞比例限流的方法DCTCP, Wilson等人提出了基于先进先服务的贪婪带宽分配方法D³，Vamanan等人提出了用γ修正函数来控制数据流的拥塞窗口的D²TCP方法。尽管 DCTCP、D³和D²TCP 等 TCP 改进方案一定程度上改善了数据中心网络的数据流的延迟性能,但是,这些方案实质上是带宽公平共享方案,即,将带宽平均分配给数据流。数据中心网络的数据流具有复杂、细粒度的延迟要求：不仅轻尾流和重尾流之间存在差异的延迟要求，同类到达特性的数据流之间、数据流内部不同类型的数据包(例如，一个多媒体数据流包含了视频、语音、文本数据包)也具有不同的延迟要求，甚至具有相同端到端延迟要求的数据包，由于经历不同的传输路径，它们在网络节点也具有不同的延迟要求。这些不同的延迟要求体现为复杂的、差异化的带宽要求。公平共享方式或其变体按数据流的平均到达速率或峰值速率分配网络链路带宽资源，其本质上不能提供延迟保障。也有方案采用加权公平调度、优先级或基于延迟的调度等方法来对数据流提供区分服务。然而，这些方法从设计之初就或者没有考虑重尾流对轻尾流的伤害问题、或者没有考虑数据流内部数据包的复杂性，因此容易对高优先级的数据流提供超额服务，导致对低优先级的数据流提供的服务不足，使得网络有效利用率较低。

本发明的目的是提供一种适用于互联网尤其是数据中心网络的数据包调度方法，以对互联网业务提供差异化的服务质量保障，并优化通信系统的带宽资源有效利用率。

发明内容

本发明的目的是解决如何保障数据中心网络的服务质量这个关键问题，因此提供一种用于数据中心网络的数据包调度方法，减少数据包的网络延迟，控制数据流的延迟尾分布，优化网络有效吞吐量，使其适用于数据密集型网络。

为了达到上述目的，本发明公开的一种用于数据中心网络的数据包调度方法，包括数据包入队过程和数据包出队过程。进入数据中心网络的服务系统的数据流按业务流特性分为轻尾流和重尾流；服务系统的队列由一个轻尾队列和一个重尾队列构成。数据包到达系统，触发数据包入队过程。系统有数据包等待发送，触发数据包出队过程。在所述数据包入队过程，轻尾流按轻尾队列入队方法进入轻尾队列，重尾流按重尾队列入队方法进入重尾队列；在所述数据包出队过程，系统根据队列调度策略选择其中一个队列，然后根据所选择队列的数据包调度策略选择一个数据包进行调度。

本发明通过如下技术方案实现：

一种用于数据中心网络的数据包调度方法，包括数据包入队过程和数据包出队过程。数据包到达服务系统，触发数据包入队过程；服务系统有数据包等待发送，触发数据包出队过程。

所述数据包入队过程包括如下入队步骤：

入队步骤1：新数据包到达系统；

入队步骤2：从数据包的包头读取数据流信息，判断数据包所属数据流是否为轻尾特性：是，则执行入队步骤3；否，则跳往入队步骤4；

入队步骤3：确定新数据包在轻尾队列的插入位置，所述插入位置需要同时满足以下条件：a）新数据包与当前轻尾队列内的数据包按数据包的最迟离开时刻升序排列，b）插入新数据包后的轻尾队列的服务要求没有超过系统的服务能力：是，则将数据包插入所述插入位置，本数据包入队过程结束；否，则丢弃该数据包，本数据包入队过程结束；

入队步骤4：将新数据包插入重尾队列，所述插入位置由以下规则同时确定：a）重尾队列内属于同一数据流的数据包按先进先出顺序排列，b）重尾队列内的数据流之间按重尾程度升序排列；本数据包入队过程结束。

所述数据包出队过程包括如下出队步骤：

出队步骤1：开始数据包出队过程；

出队步骤2：判断轻尾队列和重尾队列是否都有数据包等待发送：是，则执行出队步骤3；否，则跳往出队步骤7；

出队步骤3：判断当前时刻轻尾队列队头数据包的调度指示变量的值是否大于调度指示阈值：是，则选择轻尾队列作为服务队列，执行出队步骤4；否，则选择重尾队列作为服务队列，跳往出队步骤5；

出队步骤4：选择轻尾队列队头数据包出队，本数据包出队过程结束；

出队步骤5：判断重尾队列队头数据包的实际延迟是否已经超过该数据包的可容忍的延迟：是，则丢弃该数据包，返回出队步骤2；否，则执行出队步骤6；

出队步骤6：选择重尾队列队头数据包出队，本数据包出队过程结束；

出队步骤7：判断轻尾队列是否有数据包等待发送：是，则返回出队步骤4；否，则跳往出队步骤8；

出队步骤8：判断重尾队列是否有数据包等待发送：是，则返回出队步骤5；否，则本数据包出队过程结束。

本发明提供的用于数据中心网络的数据包调度方法，所述服务系统由一个轻尾队列和一个重尾队列构成，轻尾流进入轻尾队列，重尾流进入重尾队列。所述轻尾队列是实现延迟保障的主要队列，所述重尾队列是延迟尾分布控制和有效吞吐量优化的主要队列。

本发明提供的用于数据中心网络的数据包调度方法，包括数据包入队过程和数据包出队过程。数据包到达服务系统，触发数据包入队过程；服务系统有数据包等待发送，触发数据包出队过程。所述数据包入队过程和所述数据包出队过程可以同时进行，两者共同作用构成了数据中心网络的服务系统的数据包调度方法。

本发明提供的数据包调度方法，所述数据包入队过程中的判断数据流是否为轻尾特性的方法具体为：首先，根据新数据包的业务类型从所述服务系统获取所述数据流的到达特性；然后，判断所述到达特性是否为指数分布：是，则所述数据流是轻尾特性，否，则所述数据流不是轻尾特性。

本发明提供的数据包调度方法，对于首次到达系统的业务类型，所述服务系统将周期性地统计到达系统的该业务类型的首个数据流的单位时间到达业务量，并将该数据流的单位时间到达业务量分布作为到达特性存储在所述服务系统中。

本发明提供的数据包调度方法，所述插入新数据包后的轻尾队列的服务要求没有超过系统的服务能力的判断方法为：设新数据包的包长为L_f，可容忍的最大延迟是d_f，轻尾队列当前时刻有N(N≥0)个数据包等待发送，数据包i的包长为L_i(0<i≤N)，其可容忍的最迟离开时刻为e_i(0<i≤N)，系统的服务能力为C，当前时刻为t，按数据包的最迟离开时刻升序排列后新数据包在数据包m(0≤m≤N)后面。如果满足，则轻尾队列的服务质量要求没有超过系统的服务能力。

本发明提供的数据包调度方法，所述数据包入队过程中的重尾程度由以下条件确定：数据流的单位时间到达业务量波动性越大，则该数据流重尾程度越强。

本发明提供的数据包调度方法，所述数据包出队过程中的调度指示变量的值是轻尾队列队头数据包在所述系统的当前时刻可停留的时间与所述数据包可容忍的最大延迟的比值。

本发明提供的数据包调度方法，所述数据包出队过程中的调度指示阈值由如下条件同时确定：a）轻尾队列数据包在系统的实际延迟不大于数据包可容忍的最大延迟，b）重尾队列的有效吞吐量是一个优化值。

相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：

1、本发明公开的用于数据中心网络的数据包调度方法将数据中心网络的服务系统的队列划分为一个轻尾队列和一个重尾队列，轻尾数据流进入轻尾队列，重尾流进入重尾队列，轻尾队列与重尾队列之间、轻尾队列内部、重尾队列内部采用不同的出队策略，既对轻尾流提供严格的延迟保障，又对重尾流提供可控的延迟尾分布和有效吞吐量保障。

2、本发明公开的数据包调度方法包括数据包入队过程和数据包出队过程，数据包入队过程和数据包出队过程可以同时进行，两者共同作用对数据中心网络的数据流提供服务质量保障。在数据包入队过程分别按轻尾队列、重尾队列内数据流的流特性和服务质量要求排列队列内部的数据包，降低了数据包出队过程的队列内数据包查找时间，简化了数据包出队过程的调度策略，进一步提高系统调度的速率和效率。

附图说明

图1为本发明用于数据中心网络的数据包调度方法总流程图。

图2为本发明用于数据中心网络的队列结构示意图。

图3为本发明用于数据中心网络的数据包入队过程的一个实施例的流程图。

图4为本发明用于数据中心网络的数据包出队过程的一个实施例的流程图。

具体实施方式

下面结合附图1～4和实施例对本发明作进一步的说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施方式表述的范围。

如图1所示，用于数据中心网络的数据包调度方法包括数据包入队过程和数据包出队过程；数据包到达数据中心网络的服务系统，触发数据包入队过程；服务系统有数据包等待发送，触发数据包出队过程。

如图2所示，用于数据中心网络的服务系统的队列由一个轻尾队列和一个重尾队列构成；在所述数据包入队过程，到达特性服从轻尾分布的数据流按轻尾队列入队方法进入轻尾队列；到达特性服从重尾分布的数据流按重尾队列入队方法进入重尾队列；在所述数据包出队过程，判断轻尾队列和重尾队列是否都有数据包等待发送：是，则根据队列调度策略选择其中一个队列，然后根据该队列的数据包调度策略选择一个数据包出队；否，则判断轻尾队列是否有数据包等待发送：是，则根据轻尾队列数据包调度策略选择一个数据包出队；否，则判断重尾队列是否有数据包等待发送：是，则根据重尾队列数据包调度策略选择一个数据包出队；否，则等待数据包进入服务系统。

实施例

如图3所示，一个新的数据包到达服务系统，触发数据包入队过程，包括如下步骤：

（301）：新数据包到达服务系统，执行步骤302。

（302）：从数据包的包头读取数据流信息，判断所述数据流是否为轻尾特性。是，执行步骤303；否，则跳往步骤307。

（303）：按数据包的最迟离开时刻升序查找新数据包在轻尾队列的位置，查找结束后，返回查找到的位置m，执行步骤304。

（304）：判断插入新数据包后，轻尾队列的服务质量要求是否超过系统的服务能力。设新数据包的包长为L_f，可容忍的最大延迟是d_f，轻尾队列当前时刻有N(N≥0)个数据包等待发送，数据包i的包长为L_i(0<i≤N)，其可容忍的最迟离开时刻为e_i(0<i≤N)，系统的服务能力为C，当前时刻为t。如果满足，则轻尾队列的服务质量要求没有超过系统的服务能力，执行步骤305；否，则跳往步骤306。

（305）：数据包插入m后面，轻尾队列队长增加L_f，队列的数据包数量增加1，然后跳往步骤308。

（306）：丢弃该数据包，然后跳往步骤308。

（307）：按以下方法查找数据包在重尾队列的插入位置：查找重尾队列是否已存在该数据包所属的数据流：是，则将该数据包插入所属数据流的尾部，然后执行步骤308；否，则用公式P(X>x)计算所述数据流的重尾程度，其中，X为一个变量，表示数据流的单位时间到达业务量，x为一个足够大的正数，P(.)为概率，然后按重尾程度升序查找第一个重尾程度大于所述数据流的重尾程度的数据流，返回查找到的数据流g，将新数据包插入数据流g的第一个数据包的前面，然后执行步骤308。

（308）：本数据包入队过程结束。

如图4所示，服务系统有数据包等待发送，触发数据包出队过程，包括如下步骤：

（401）：数据包出队过程开始，执行步骤402。

（402）：判断是否轻尾队列和重尾队列都有数据包等待发送。是，执行步骤403。否，跳往步骤408。

（403）：判断轻尾队列队头数据包的调度指示变量是否大于指示阈值。设轻尾队列队头数据包的调度指示变量为、到达系统的时间为、可容忍的最大延迟为，设当前时刻为t，则按公式计算当前轻尾队列队头数据包的调度指示变量；设系统的服务能力为C，轻尾队列共有N个数据流，数据流的到达速率用表示，则调度指示阈值可用公式确定，这里。如果，则轻尾队列队头数据包的调度指示变量大于指示阈值，执行步骤404；否，则跳往步骤405。

（404）：选择轻尾队列队头数据包出队，跳往步骤410。

（405）：判断重尾队列队头数据包当前的实际延迟是否已经大于可容忍的延迟。是，执行步骤406；否，则跳往步骤407。

（406）：丢弃重尾队列队头数据包，返回步骤402。

（407）：选择重尾队列队头数据包出队，跳往步骤410。

（408）：判断轻尾队列是否有数据包等待发送。是，跳往步骤404；否，执行步骤409。

（409）：判断重尾队列是否有数据包等待发送。是，跳往步骤405；否，执行步骤410。

（410）：本数据包出队过程结束。

如上所述便可较好的实现本发明。

Claims

1.一种用于数据中心网络的服务系统的数据包调度方法，包括数据包入队过程和数据包出队过程，其特征在于：

数据包到达服务系统，触发数据包入队过程；服务系统有数据包等待发送，触发数据包出队过程；

进入服务系统的数据流按业务流特性分为轻尾流和重尾流两类；服务系统的队列由一个轻尾队列和一个重尾队列构成；

所述数据包入队过程具体包括如下入队步骤：

入队步骤1: 新数据包到达系统；

入队步骤2: 从数据包的包头读取数据流信息，判断数据包所属数据流是否为轻尾特性：是，则执行入队步骤3；否，则跳往入队步骤4；

入队步骤3: 确定新数据包在轻尾队列的插入位置，所述插入位置需要同时满足以下条件：a）新数据包与当前轻尾队列内的数据包按数据包的最迟离开时刻升序排列，b）插入新数据包后的轻尾队列的服务要求没有超过系统的服务能力：是，则将数据包插入所述插入位置，本数据包入队过程结束；否，则丢弃该数据包，本数据包入队过程结束；

入队步骤4: 将新数据包插入重尾队列，所述插入位置由以下规则同时确定：a）重尾队列内属于同一数据流的数据包按先进先出顺序排列，b）重尾队列内的数据流按重尾程度升序排列；本数据包入队过程结束；

所述数据包出队过程具体包括如下出队步骤：

出队步骤1：开始数据包出队过程；

出队步骤2: 判断轻尾队列和重尾队列是否都有数据包等待发送：是，则执行出队步骤3；否，则跳往出队步骤7；

出队步骤3: 判断当前时刻轻尾队列队头数据包的调度指示变量的值是否大于调度指示阈值：是，则选择轻尾队列作为服务队列，执行出队步骤4；否，则选择重尾队列作为服务队列，跳往出队步骤5；

出队步骤4: 选择轻尾队列队头数据包出队，本数据包出队过程结束；

出队步骤5: 判断重尾队列队头数据包的实际延迟是否已经超过该数据包的可容忍的延迟：是，则丢弃该数据包，返回出队步骤2；否，则执行出队步骤6；

出队步骤6: 选择重尾队列队头数据包出队，本数据包出队过程结束；

出队步骤7: 判断轻尾队列是否有数据包等待发送：是，则返回出队步骤4；否，则执行出队步骤8；

出队步骤8: 判断重尾队列是否有数据包等待发送：是，则返回出队步骤5；否，则本数据包出队过程结束。

2.根据权利要求1所述的数据包调度方法，其特征在于所述数据包入队过程的入队步骤2的数据流信息包括业务类型、数据流标识、数据流可容忍的最大延迟。

3.根据权利要求1所述的数据包调度方法，其特征在于所述数据包入队过程的入队步骤2的判断数据包所属数据流是否为轻尾特性的方法具体为：首先，根据新数据包的业务类型从所述服务系统获取所述数据流的到达特性；然后，判断所述到达特性是否为指数分布：是，则所述数据流是轻尾特性，否，则所述数据流不是轻尾特性。

4.根据权利要求1或3所述的数据包调度方法，其特征在于对于首次到达系统的业务类型，所述服务系统将周期性地统计到达系统的所述业务类型的首个数据流的单位时间到达业务量，并将该数据流的单位时间到达业务量分布作为到达特性存储在所述服务系统中。

5.根据权利要求1所述的数据包调度方法，其特征在于所述数据包入队过程的入队步骤3的插入新数据包后的轻尾队列的服务要求没有超过系统的服务能力的判断方法为：设新数据包的包长为L_f，可容忍的最大延迟是d_f，轻尾队列当前时刻有N(N≥0)个数据包等待发送，数据包i的包长为L_i(0<i≤N)，其可容忍的最迟离开时刻为e_i(0<i≤N)，系统的服务能力为C，当前时刻为t，按数据包的最迟离开时刻升序排列后新数据包在数据包m(0≤m≤N)后面；如果满足，则轻尾队列的服务质量要求没有超过系统的服务能力。

6.根据权利要求1所述的数据包调度方法，其特征在于所述数据包入队过程的入队步骤4的规则a)的属于同一数据流的数据包指数据包具有相同的流标识和服务质量要求。

7.根据权利要求1所述的数据包调度方法，其特征在于所述数据包入队过程的入队步骤4的规则b)的重尾程度由以下条件确定：数据流的单位时间到达业务量波动性越大，则该数据流重尾程度越强。

8.根据权利要求1所述的数据包调度方法，其特征在于所述数据包出队过程的出队步骤3的调度指示变量的值是轻尾队列队头数据包在所述系统的当前时刻可停留的时间与所述数据包可容忍的最大延迟的比值。

9.根据权利要求1所述的数据包调度方法，其特征在于所述数据包出队过程的出队步骤3的调度指示阈值由如下条件同时确定：a）轻尾队列数据包在系统的实际延迟不大于数据包可容忍的最大延迟，b）重尾队列的有效吞吐量，即，满足延迟要求的吞吐量，是一个优化值。