CN104767694B - 一种面向Fat‑Tree数据中心网络架构的数据流转发方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向Fat‑Tree数据中心网络架构的数据流转发方法，属于数据中心网络技术领域。其特征是该方法结合数据中心网络与SDN技术，在以Fat‑Tree为网络拓扑的数据中心网络中，动态地控制网络中流的转发，并能根据网络中流的大小，动态调整流的路由转发策略。包括定时网络链路信息采集模块，数据流信息采集模块，大数据流检测处理模块，负载均衡控制转发模块，大数据流转发模块功能。本发明可实现数据流在数据中心网络中的负载均衡，根据不同的数据流大小动态地调整转发策略，提高数据中心网络的链路利用率，减小数据流转发的时延，减小链路发生拥塞的几率。

Description

一种面向Fat-Tree数据中心网络架构的数据流转发方法

技术领域

本发明属于数据中心网络领域，涉及一种面向Fat-Tree数据中心网络架构的数据流转发方法，具体涉及一种应用在Fat-Tree网络拓扑结构的数据中心网络中的数据流的路由转发策略。

背景技术

随着互联网技术的发展，尤其是云计算技术的广泛应用，越来越多的网络应用与服务部署在数据中心。不断增多的用户数量和用户对于服务质量要求的提高对传统的数据中心网络服务提出了挑战。以Fat-Tree为代表的多等价路径网络拓扑的出现为数据中心网络服务提供了新的发展机遇。多路径网络拓扑利用额外的冗余链路带宽，能够克服由于用户数量增加而带来的服务瓶颈。

为了解决由于用户数量增长而带来的数据中心网络服务瓶颈，Fat-Tree网络拓扑技术被引入到数据中心网络中。在目前应用Fat-Tree网络拓扑的数据中心网络中，数据流在多路径的选择上采用ECMP(Equal Cost Multi-Path)路由算法。这种路由算法在每条数据流的路由选择上，采用哈希的映射方法，将每条数据流映射到某一条路径上。这种基于哈希的数据流的路径选择策略，是一种静态的映射方法，它仅仅是在数量上将数据流均匀的分配到拓扑中的多条等价路径上。由于采用哈希的方法进行路径的选择，在数据流数量比较多的条件下，必然会出现多个数据流在某一条路径上发生碰撞的情况。当有比较大的数据流在路径上传输时，必然会对与这条大数据流发生碰撞的其他数据流带来大的传输时延，从而降低了网络服务与应用的服务质量。ECMP仅仅依据数据中心网络中数据流的数量，而没有考虑到数据流的大小以及网络链路带宽的使用情况，从而导致数据中心网络的链路利用率不高，多条等价路径下的带宽分配不均匀。这些最终造成了数据中心网络的链路发生拥塞，增加了数据流传输的时延，降低了网络应用服务的服务质量。已有另外一种方法以负载均衡为目标，在链路的选择上考虑了链路的使用情况，让各个链路均匀地承担数据流的转发。这种以公平性为目标的方法没有考虑流的大小，只是单方面考虑网络带宽的使用情况，并且由于Fat-Tree拓扑结构的特点，这种方法只考虑了局部的链路情况。这种方法最终会对大数据流造成拥塞。

发明内容

为了克服现有技术结构的不足，本发明面向Fat-Tree数据中心网络架构，提供一种基于SDN的流的路由转发控制方法，利用全局网络的信息，并结合Fat-Tree拓扑结构的特点，动态地调整数据中心网络中数据流路由转发策略；初始时将多条数据流以负载均衡为目标分配到不同的等价路径上，减小不同数据流在同一条路径上发生碰撞的概率；同时根据数据流的大小，动态调整大的数据流的转发策略，减小发生拥塞的可能性；

本发明的面向Fat-Tree数据中心网络架构的数据流路由转发方法包括网络链路信息的实时采集，数据流的统计信息收集和大数据流的检测，数据流的负载均衡调度策略以及针对大数据流的调度策略。解决其技术问题所采用的技术方案是：

(1)采用支持OpenFlow协议的SDN交换机来构建Fat-Tree拓扑架构的数据中心网络，利用SDN交换机的协议获取交换机间的链路信息，以及网络中正在转发的流的流量统计信息。这部分功能主要通过部署两个定时任务来实现：第一个定时任务每隔一定的时间间隔T₁获得一次交换机各个端口的流量信息，定义为{swID,portNum,x}，其中x表示在T₁时间间隔内传输的字节数，在后面的计算中，通过比较不同端口的x的大小，可以比较出不同链路的带宽使用率的大小；第二个定时任务是每隔一定的的时间间隔T₂获得一次网络中正在转发的流的统计信息，提取统计信息中的流的已传输的字节数，从而作为后续判定数据流的大小的依据。

(2)设计一种动态的负载均衡的路由转发策略，在初始情况下减小各个数据流在多条等价路径上发生碰撞的概率，更加高效地利用网络拓扑中的冗余路径，具体步骤如下：

a.当一个流进入到数据中心网络中时，首先解析出这个流的源、目的地址，并计算出这个流在Fat-Tree拓扑中需要到达的最高层；

b.为数据流自底向上逐层选择合适的链路，利用(1)中得到的不同链路的带宽利用率的大小，依据最坏适应算法，选取带宽利用率最低的那条链路为数据流向上转发的路径；

c.一旦数据流到达了所要到达的最高层，根据Fat-Tree拓扑的特点，数据流由最高层向下到达目的地址的路径已唯一确定，从而完成数据流从源地址到目的地址的路径选择。

d.将所选择的路径添加到相应的交换机的流表中。

(3)设计一种针对大的数据流的路由转发策略，为大数据流选取全局优化的路径，降低大数据流的传输时间，减小大数据流对链路造成拥塞的可能，具体步骤如下：

a.当(1)中的第二个定时任务发现某一个流的已传输字节数达到了某一个阈值，这个流将被视为一个大流；

b.当一个数据流被判定为大流后，首先获得这个流的源、目的地址，计算出从源地址到目的地址的所有路径；

c.每一条路径都由相等数目的链路组成，组成每条路径的链路中都会有一条带宽使用率最高的链路，这条链路将是其所在路径的传输性能的瓶颈。基于最大最小公平原理，在这些带宽利用率最高的链路中选取带宽利用率最低的那条链路所在的路径为当前大流的转发路径。

d.在交换机中删除这条大流原有的流表项，并将新的转发路径添加到相应的交换机中。

本发明的有益效果是一种面向Fat-Tree数据中心网络架构的，基于SDN的数据中心网络中的数据流转发控制方法，相对于其他调度方法，本方法利用SDN交换机的协议，定时获取网络中各个链路的带宽使用情况，动态地将数据流负载均衡到合适的链路上，减少使用原有哈希算法时多个数据流在同一条链路上发生碰撞的几率；充分利用Fat-Tree这种拓扑带来的冗余路径的优点，提高链路的使用率；并且针对大的数据流采用特定的路由转发策略，较小链路发生拥塞的概率。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图。

图2是本发明的流程图。

图3是本发明的具体事例示意图。

具体实施方式

以下结合附图说明和技术方案进一步说明本发明的具体实施方式。

如图3所示，在一个4阶的Fat-Tree拓扑结构的数据中心网络中，每台交换机都是支持OpenFlow协议的SDN交换机，网络中每条链路的带宽均为100Mbps。如图1所示，运行两个定时任务，分别以T₁和T₂为周期收集网络的所有的链路统计信息和所有正在转发的数据流的统计信息。在主机H1向主机H2发送一个数据流f1，按照图2中的流程所示，若与H1相连的边缘交换机中无相应的转发流表项，则开始为f1计算基于负载均衡的转发路径。

解析H1与H2的地址，确定f1需要到达的最高层为核心交换机层，f1从E1开始转发，逐层向上选择当前交换机中空闲带宽最大的那条链路，直到到达核心交换机层，若H1选择E1—A1—C1，则从C1到达H2的下行路径唯一确定，即C1—A3—E2，则H1与H2之间的路径为H1—E1—A1—C1—A3—E2—H2，并在交换机E1、A1、C1、A3、E2中添加相应的流表项。

在某一时刻，若f1的转发速率达到了10Mb/s以上，则f1被判定为是一个大数据流，将为f1重新计算转发路径。H1与H2之间共4条等价路径E1—A1—C1—A3—E2、E1—A1—C2—A3—E2、E1—A2—C3—A4—E2、E1—A1—C4—A4—E2。比较这4条路径的带宽瓶颈链路，选取其中空闲带宽最大的那条带宽瓶颈链路所在的路径为f1的新的转发路径，并在对应的交换机中添加相应的流表项。

Claims (1)

1.一种面向Fat-Tree数据中心网络架构的数据流转发方法，其特征在于，

(1)采用支持OpenFlow协议的SDN交换机构建三层Fat-Tree拓扑结构的数据中心网络；部署两个定时任务模块，通过SDN交换机提供的接口，分别收集网络中所有链路的统计信息和网络中数据流的统计信息，并分别以时间T₁和时间T₂定期更新这些统计信息，从而实现对网络链路情况和数据流传输情况的检测；

(2)初始情况，针对所有新进入到网络中的数据流，采取一种负载均衡为目的的转发策略；每当为一个新数据流计算转发路由时，通过源地址与目的地址确定数据流在转发过程中需要到达的最高层是Fat-Tree拓扑结构中的哪一层；基于最坏适应原理，流在向上层转发的过程中，每次选取当前交换机向上链路中空闲带宽最大的那条链路到达上一层的交换机，直到到达需要到达的最高层；链路的带宽使用情况利用(1)中获得的链路统计信息计算得出；基于Fat-Tree拓扑结构的特性，当确定了数据流到最高层的路径后，从最高层到目的节点的下行路径就是唯一确定的；确定这个数据流的转发路径之后，在路径所经过的各个交换机上添加这个数据流的流表项即转发规则；

(3)当数据流在采用(2)所得到的路径进行转发的过程中，第二个定时任务以时间T₂为周期获得网络中正在转发的每个数据流的统计信息，并对这些信息进行实时处理，利用这些统计信息计算每个数据流的传输速率；每当一个数据流的传输速率高于链路带宽的1/10时，将这个数据流视为一个大数据流,并为这个大数据流重新计算转发路由；针对大数据流的转发策略如下：

a.确定这个大数据流的源地址与目的地址，计算出其在Fat-Tree拓扑结构下源地址与目的地址间全部的等价路径；

b.对于求得的每条等价路径，通过(1)中获得的链路的统计信息，找出每条等价路径中带宽利用率最高的那条链路，即每条路径的带宽瓶颈链路；

c.在这些带宽瓶颈链路中，选取其中空闲带宽最大的那条带宽瓶颈链路所在的等价路径为这条大数据流的新的转发路径，并在路径中的各个节点交换机上添加转发流表项；

d.本策略以时间T₂为周期动态地实现对网络中的大数据流进行路由调整。