CN105763372B - 基于拓扑简化的数据中心网络的性能评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于拓扑简化的数据中心网络的性能评估方法，通过仿真产生的模拟流量数据或真实网络流量集数据计算各时刻各交换机的第一类和第二类实时过载率；将各个交换机划分为若干组集合，设定集合映射规则以及对集合进行实时过载率计算及处理；根据计算得到的实时过载率确定单个交换机的最大承载能力，以及一组交换机的整体承载能力；根据承载能力将原先的网络结构简化为简化树这种更直观的网络结构并将整体网络假想为隧道结构并通过计算隧道中最窄线路来计算网络承载能力。本发明一方面充分考虑到延时和利用率的权衡问题，考虑到了不同流量情况下的性能情况，另一方面将一个数据中心网络的评估结果用一个非常简洁清晰的形式加以呈现。
Description
技术领域
本发明涉及计算机网络技术领域，具体地，涉及一种基于拓扑简化的数据中心网络的性能评估方法。
背景技术
根据目前的数据中心网络中所存在的问题，学者们提出了不同的解决方案。一部分学者主要致力于解决传统树形结构的过载率问题，另一部分则致力于研究无线技术在数据中心网络中的应用。由于服务器被放置在机架上并通过架顶式交换机(ToR)连接，进而连接到更高层的数据中心汇聚层交换机及核心层交换机，以便于不同机架中的服务器能够通过数据中心网络实现连接。传统树形结构的过载问题将导致数据中心网络在忙时的实际吞吐量比服务器的网络接口(NIC)的可用带宽低很多，为了增加任意对服务器之间的实际带宽，更多的交换机和链路被加入，传统的树形拓扑结构发生了一定的改变来降低过载率。
通过增加交换机及链路的方法在2008至2010年间取得了突破性的进展，可扩展的商品化数据中心网络结构,可扩展的灵活数据中心网络,可扩展的可容错数据中心网络结构，模块化数据中的高性能服务器端中心网络结构等的出现实现了服务器之间实际带宽的增加，而这些方法在运用中也体现出其不足之处。由于大量链路的引入，虽然增加了忙时的用户实际可用带宽，然而由于部分链路可能长时间处于空闲状态，因而也增加了服务器的能量损耗。通过探究改变过载率的文章，由于更为复杂的链路连接方式，路由选择方式也因此变得多样，学者们致力于探究更好的路由选择算法以实现最为合理的流量调度，在现有等价路由(ECMP)及算法技术的制约下，流量路由过程中的冲突问题仍然存在，用户实际可用带宽往往达不到拓扑结构索给出的实际带宽，这种问题已经成为了目前互联网中的普遍问题。
与此同时，基于观察的方法所引入的观察的延时也将影响整个数据中心系统的表现，这种观察的方法在一定程度上并不能演变成基于预测的方法，网络流量的突发性及不确定性的特征决定了网络路由算法设计的困难之处。
最近的研究表明，60GHz的无线技术可以被加入到数据中心中，以改善目前所存在的拥堵问题及通过改变过载率而出现的能量损耗问题。“Augmenting data centernetworks with multi-gigabit wireless links”(基于G赫兹多无线链路的数据中心网络增强改进,Halperin D,Kandula S,Padhye J,et al,ACM SIGCOMM ComputerCommunication Review.ACM,2011,41(4):38-49)“Mirror Mirroron the Ceiling:Flexible Wireless Links for Data Centers”(灵活的数据中心网络无线链路顶端镜像技术,X.Zhou,Z.Zhang,Y.Zhu,Y.Li,S.Kumar,A.Vahdat,B.Zhao and H.Zheng,inProc.ACM SIGCOMM,Aug.2012,pp.443–454)等技术的出现引发了数据中心网络的进一步革新。然而，60GHz技术的两个特点阻碍了它的应用：1)如此高频率的无线链路的传输范围是有限的，这使得它很难保证通信双方间只有一跳交换机；2)60GHz的波长范围在几毫米的数量级，根据衍射理论，导致该信号在60GHz的强度显著衰减的结果，从而多跳路由是不稳定且耗费时间的。因此如何正确建立无线链路已经在近几年的热点话题。
“Flyways To De-Congest Data Center Networks”(利用无线连接消除数据中心网络的拥堵,S.Kandula,J.Padhye and P.Bahl,ACM HotNets,Nov.2009)提出了方案以检测热点，并充分利用设备旋转天线，以暂时增加或改变无线链路，从而使热点通过这种方式得到缓解。“A theoretical framework for mitigating delay in 3D wireless datacenter networks”(缓解三维数据中心网络的理论框架,K.Zhou,X.Tian and Y.Cheng,inProc.IEEE ICC,June.2013,pp.6417-6421)采取三维波束成形的优势，通过利用天花板反射的优势减轻了ToR之间的干扰，从而实现了无线的更大容量。然而，这些计划主要集中在如何构建有线与无线混合的DCN网络并提高无线的容量以便更好的在混合数据中心网络中发挥作用。然而，无线的容量及无线间干扰的减轻固然重要，如果没有适当的流量调度方案，无线的优势便无法得到充分的体现，热点的问题将仍然存在。
“Relieving Hotspots in Data Center Networks with WirelessNeighborways”(利用相邻节点缓解数据中心网络当中的拥堵节点,L.Shan,C.Zhao,Xiaohua Tian,Y.Cheng,F.Yang and X.Gan,，Proc.IEEE GLOBECOM 2014)中为边缘路由器安装了定向天线设备，以便与周围的架顶式交换机建立无线连接。通过无线的使用，映射到相应的有线拓扑结构中形成了如附图3所示的数据中心拓扑结构，这种设计使得固有的有线拓扑结构更佳的灵活，不同pod之间的交互也减少了路由过程中出现的链路空闲的能量损耗。除此之外，为了最大化这种设计的优势，他们使用负载因子来表示一对源-目的路由对从无线连接中的获益，并在数据中心逻辑分布和物理分布下分配了IP及建立通信联系，形成了一整套完整的理论。
发明内容
根据本发明提供的基于拓扑简化的数据中心网络的性能评估方法，包括如下步骤
步骤1：通过仿真产生的模拟流量数据或真实网络流量集数据计算各时刻各个交换机的第一类和第二类实时过载率；
步骤2：将各个交换机划分为若干组集合，设定所述若干组集合的映射规则，并对所述若干组集合进行实时过载率计算；
步骤3：根据计算得到的所述若干组集合的实时过载率确定单个交换机的最大承载能力以及一组交换机的整体承载能力；
步骤4：根据承载能力将网络结构简化为简化树结构，并将简化树结构进一步假想为隧道结构，通过计算隧道中最窄线路来计算整体网络的承载能力。
优选地，所述步骤1中所述的第一类、第二类实时过载率分别体现了网络的系统承载能力、吞吐率性能；其中
第一类实时过载率的计算公式如下：
式中：rto1st-down(i)表示第i个交换机的下行第一类实时过载率；Tdown(i)表示第i个交换机处理完来自低层的给定流量所需的平均时间；rto1st-up(i)表示第i个交换机的上行第一类实时过载率；Tup(i)表示第i个交换机处理完来自高层的给定流量所需的平均时间；N表示观察时间片的总数，Tslot表示每个时间片的长度；
第二类实时过载率的计算公式如下：
式中：rto2nd-down(i)表示第i个交换机的下行第二类实时过载率；rto2nd-up(i)表示第i个交换机的上行第二类实时过载率；A(j)表示低层第j条连接的总流量，B(j)表示高层第j条连接的总流量，Kdown表示给定交换机的低层连接总数，Kup表示给定交换机的高层连接总数。
优选地，所述步骤2包括：将最上层连接各下层交换机的交换机作为核心交换机，与终端直接相连接的交换机作为边缘交换机，集中交换机是指将核心交换机和边缘交换机相互连接的交换机；将每一个终端，每一个边缘交换机和每一个集中交换机都进一步各归入到某一个单元中，从而实现将所有交换机划分为若干组集合，所划分的交换机集合的序号计算公式如下：
式中：Grp(i)表示交换机集合的序号，i表示交换机序号，Edge Switch、AggrSwitch、Core Switch分别表示边缘交换机、集中交换机、核心交换机，Nedge表示一个集合中边缘交换机的总数目，Naggr表示一个集合中集中交换机的总数目，Npod表示单元的总数目。
优选地，所述步骤3中单个交换机的最大承载能力的计算公式如下：
式中：C(i)表示第i交换机的最大承载能力，rto1st(i)表示第i个交换机的第一类实时过载率，rto2nd(i)表示第i个交换机的第二类实时过载率，B表示每条链路的带宽，K表示端口的总数，M表示可被接受的最大延时；arg minx{Y}表示在满足表达式Y的前提下变量x可取的最小值，一个交换机集合的最大承载能力的计算公式如下：
式中：Cgrp(i)表示第i个交换机集合的最大承载能力，Kgrp表示交换机集合中端口的总数，rto1st-grp(i)表示第i个交换机集合的第一类实时过载率，rto2nd-grp表示第i个交换机集合的第二类实时过载率。
优选地，所述步骤4中各交换机集合的承载能力满足如下关系：
C(am)>C(an)；
式中：C(am)表示第am个集合的最大承载能力，am表示从一个交换机集合到另一个交换机集合所经路径当中的第m个交换机集合的编号，an表示从一个交换机集合到另一个交换机集合所经路径当中的第n个交换机集合的编号，C(an)表示第an个集合的最大承载能力，k表示从一个交换机集合到另一个交换机集合所经路径当中的第k个交换机集合，即核心交换机集合表示；
获得简化树并将简化树假想为一个隧道结构后，某个边缘交换机集合的最大接收能力Γ(Egrp(aj))由隧道的后半部分中承载能力最小的交换机集合的承载能力决定，即
Γ(Egrp(aj))＝min{C(ak)，...，C(aj-1)}；
式中：Γ(Egrp(aj))表示编号为aj的交换机集合的最大接受能力，ak表示核心交换机集合的编号，aj-1表示所经路径当中第j-1个交换机集合的编号，aj表示所经路径当中第j个交换机集合的编号；C(ak)表示第ak个集合的最大承载能力，C(aj-1)表示第aj-1个集合的最大承载能力，最大接收能力计算公式如下：
式中：Γ(i)表示编号为i边缘交换机的最大接收能力，Group j表示编号为j的交换机集合，Г(Egrp(j))表示编号为j的交换机集合的最大接收能力。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明一方面充分考虑到延时和利用率的权衡问题，考虑到了不同流量情况下的性能情况，另一方面将一个数据中心网络的评估结果用一个非常简洁清晰的形式加以呈现，从而能够全面地评估网络性能。
2、本发明基于拓扑简化的数据中心网络的性能评估方法能够将原先的网络结构简化为简化树这种更直观的网络结构并将整体网络假想为隧道结构并通过计算隧道中最窄线路来计算网络承载能力，更加直观简便。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的步骤流程图；
图2为本发明的步骤二当中将交换机分组的示意图；
图3为本发明的步骤三当中简化树结构的示意图；
图4为第一类在不同链接中的实时过载率示意图；
图5为第一类与第二类的实时过载率对比示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的基于拓扑简化的数据中心网络的性能评估方法，包括如下步骤
步骤1：通过仿真产生的模拟流量数据或真实网络流量集数据计算各时刻各个交换机的第一类和第二类实时过载率；
步骤2：将各个交换机划分为若干组集合，设定所述若干组集合的映射规则，并对所述若干组集合进行实时过载率计算；
步骤3：根据计算得到的所述若干组集合的实时过载率确定单个交换机的最大承载能力以及一组交换机的整体承载能力；
步骤4：根据承载能力将网络结构简化为简化树结构，并将简化树结构进一步假想为隧道结构，通过计算隧道中最窄线路来计算整体网络的承载能力。
所述步骤1中所述的第一类、第二类实时过载率分别体现了网络的系统承载能力、吞吐率性能；其中
第一类实时过载率的计算公式如下：
式中：rto1st-down(i)表示第i个交换机的下行第一类实时过载率；Tdown(i)表示第i个交换机处理完来自低层的给定流量所需的平均时间；rto1st-up(i)表示第i个交换机的上行第一类实时过载率；Tup(i)表示第i个交换机处理完来自高层的给定流量所需的平均时间；N表示观察时间片的总数，Tslot表示每个时间片的长度；
第二类实时过载率的计算公式如下：
式中：rto2nd-down(i)表示第i个交换机的下行第二类实时过载率；rto2nd-up(i)表示第i个交换机的上行第二类实时过载率；A(j)表示低层第j条连接的总流量，B(j)表示高层第j条连接的总流量，Kdown表示给定交换机的低层连接总数，Kup表示给定交换机的高层连接总数。
所述步骤2包括：将最上层连接各下层交换机的交换机作为核心交换机，与终端直接相连接的交换机作为边缘交换机，集中交换机是指将核心交换机和边缘交换机相互连接的交换机；将每一个终端，每一个边缘交换机和每一个集中交换机都进一步各归入到某一个单元中，从而实现将所有交换机划分为若干组集合，所划分的交换机集合的序号计算公式如下：
式中：Grp(i)表示交换机集合的序号，i表示交换机序号，Edge Switch、AggrSwitch、Core Switch分别表示边缘交换机、集中交换机、核心交换机，Nedge表示一个集合中边缘交换机的总数目，Naggr表示一个集合中集中交换机的总数目，Npod表示单元的总数目。
所述步骤3中单个交换机的最大承载能力的计算公式如下：
式中：C(i)表示第i交换机的最大承载能力，rto1st(i)表示第i个交换机的第一类实时过载率，rto2nd(i)表示第i个交换机的第二类实时过载率，B表示每条链路的带宽，K表示端口的总数，M表示可被接受的最大延时；arg minx{Y}表示在满足表达式Y的前提下变量x可取的最小值，一个交换机集合的最大承载能力的计算公式如下：
式中：Cgrp(i)表示第i个交换机集合的最大承载能力，Kgrp表示交换机集合中端口的总数，rto1st-grp(i)表示第i个交换机集合的第一类实时过载率，rto2nd-grp表示第i个交换机集合的第二类实时过载率。
所述步骤4中各交换机集合的承载能力满足如下关系：
C(am)>C(an)；
式中：C(am)表示第am个集合的最大承载能力，am表示从一个交换机集合到另一个交换机集合所经路径当中的第m个交换机集合的编号，an表示从一个交换机集合到另一个交换机集合所经路径当中的第n个交换机集合的编号，C(an)表示第an个集合的最大承载能力，k表示从一个交换机集合到另一个交换机集合所经路径当中的第k个交换机集合，即核心交换机集合表示；
获得简化树并将简化树假想为一个隧道结构后，某个边缘交换机集合的最大接收能力Γ(Egrp(aj))由隧道的后半部分中承载能力最小的交换机集合的承载能力决定，即
Γ(Egrp(aj))＝min{C(ak)，...，C(aj-1)}；
式中：Γ(Egrp(aj))表示编号为aj的交换机集合的最大接受能力，ak表示核心交换机集合的编号，aj-1表示所经路径当中第j-1个交换机集合的编号，aj表示所经路径当中第j个交换机集合的编号；C(ak)表示第ak个集合的最大承载能力，C(aj-1)表示第aj-1个集合的最大承载能力，最大接收能力计算公式如下：
式中：Γ(i)表示编号为i边缘交换机的最大接收能力，Group j表示编号为j的交换机集合，Γ(Egrp(j))表示编号为j的交换机集合的最大接收能力。
具体地，通过仿真产生的模拟流量数据或真实网络流量集数据计算各时刻各交换机的第一类和第二类实时过载率。
在实时过载率的统计过程当中，需要用到处理完上层流量和下层流量所用的时间Tup和Tdown，该时间可以通过如下的算法进行计算。
在计算最大承载能力之前首先需要将网络当中的交换机进行分组。通常情况下，可以将整个网络拓扑结构划分为核心交换机，集中交换机，和边缘交换机三个层次。集中交换机和边缘交换机又可以被分为若干分组。
如图2所示：对于每一个包含了多个交换机的交换机集合，将其看作一个整体，依据多交换机的最大承载能力的计算方法，可以计算得到该集合的最大承载能力。
根据步骤二当中对交换机的划分，可以进一步将网络模型进行简化。对于每一个交换机的集合可以将其看作一个新的交换机，其承载能力即为原交换机集合的承载能力。
将集合都替换为新交换机之后，集合和集合间构成的网络就变为了拓扑结构非常简单的简化树结构，如附图3所示。其每一条边的数据传输能力，与其连接的两个交换机的最大承载能力有关。进一步，可以将整个网络想像成一个隧道的结构，并依据隧道传输能力的定义计算个交换机的最大接收能力。
系统实例
本实例的情况为：
有线链路带宽：10Gbps
网络拓扑结构：Fat-Tree
网络路由算法：静态路由算法和ECMP
网络流量方案：由随机流量产生函数Rand(P)和Burst(N,P,P1,P2)产生
交换机模型：存储转发模型
本实例具体步骤如下：
1.使用ns3仿真软件分别对fat—tree网络结构和ECMP网络结构两种网络结构进行仿真，以验证本发明中的方法对于网络实例性能的判定情况。
2.在仿真过程中，通过Rand( )和Burst( )两种方法产生随机的网络流量。
其中Rand(P)函数以P的概率产生传送到其他交换机的流量，Burst(N,P,P1,P2)在以P的概率产生流量的基础上，对目标单元的编号进行了限制，有P1的概率目标单元的编号能被N整除，有P2的概率目标单元的编号不能被N整除。
3.通过仿真产生的模拟流量数据或真实网络流量集数据计算各时刻各交换机的第一类和第二类实时过载率。
4.将各个交换机划分为若干组集合，设定集合映射规则，以及集合进行实时过载率计算及处理。
5.根据计算得到的实时过载率结果确定单个交换机的最大承载能力，以及一组交换机的整体承载能力
6.根据承载能力将原先的网络结构简化为简化树这种更直观的网络结构并将整体网络假想为隧道结构并通过计算隧道中最窄线路来计算网络承载能力。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (4)
1.一种基于拓扑简化的数据中心网络的性能评估方法，其特征在于，包括如下步骤
步骤1：通过仿真产生的模拟流量数据或真实网络流量集数据计算各时刻各个交换机的第一类和第二类实时过载率；
步骤2：将各个交换机划分为若干组集合，设定所述若干组集合的映射规则，并对所述若干组集合进行实时过载率计算；
步骤3：根据计算得到的所述若干组集合的实时过载率确定单个交换机的最大承载能力以及一组交换机的整体承载能力；
步骤4：根据承载能力将网络结构简化为简化树结构，并将简化树结构进一步假想为隧道结构，通过计算隧道中最窄线路来计算整体网络的承载能力；
所述步骤1中所述的第一类、第二类实时过载率分别体现了网络的系统承载能力、吞吐率性能；其中
第一类实时过载率的计算公式如下：
式中：rto1st-down(i)表示第i个交换机的下行第一类实时过载率；Tdown(i)表示第i个交换机处理完来自低层的给定流量所需的平均时间；rto1st-up(i)表示第i个交换机的上行第一类实时过载率；Tup(i)表示第i个交换机处理完来自高层的给定流量所需的平均时间；N表示观察时间片的总数，TSlot表示每个时间片的长度；
第二类实时过载率的计算公式如下：
式中：rto2nd-down(i)表示第i个交换机的下行第二类实时过载率；rto2nd-up(i)表示第i个交换机的上行第二类实时过载率；A(j)表示低层第j条连接的总流量，B(j)表示高层第j条连接的总流量，Kdown表示给定交换机的低层连接总数，Kup表示给定交换机的高层连接总数。
2.根据权利要求1所述的基于拓扑简化的数据中心网络的性能评估方法，其特征在于，所述步骤2包括：将最上层连接各下层交换机的交换机作为核心交换机，与终端直接相连接的交换机作为边缘交换机，集中交换机是指将核心交换机和边缘交换机相互连接的交换机；将每一个终端，每一个边缘交换机和每一个集中交换机都进一步各归入到某一个单元中，从而实现将所有交换机划分为若干组集合，所划分的交换机集合的序号计算公式如下：
式中：Grp(i)表示交换机集合的序号，i表示交换机序号，Edge Switch、Aggr Switch、Core Switch分别表示边缘交换机、集中交换机、核心交换机，Nedge表示一个集合中边缘交换机的总数目，Naggr表示一个集合中集中交换机的总数目，Npod表示单元的总数目。
3.根据权利要求1所述的基于拓扑简化的数据中心网络的性能评估方法，其特征在于，所述步骤3中单个交换机的最大承载能力的计算公式如下：
式中：C(i)表示第i交换机的最大承载能力，rto1st(i)表示第i个交换机的第一类实时过载率，rto2nd(i)表示第i个交换机的第二类实时过载率，B表示每条链路的带宽，K表示端口的总数，M表示可被接受的最大延时；表示在满足表达式Y的前提下变量x可取的最小值，一个交换机集合的最大承载能力的计算公式如下：
式中：Cgrp(i)表示第i个交换机集合的最大承载能力，Kgrp表示交换机集合中端口的总数，rto1st-grp(i)表示第i个交换机集合的第一类实时过载率，rto2nd-grp表示第i个交换机集合的第二类实时过载率。
4.根据权利要求1所述的基于拓扑简化的数据中心网络的性能评估方法，其特征在于，所述步骤4中各交换机集合的承载能力满足如下关系：
C(am)＞C(an)；
式中：C(am)表示第am个集合的最大承载能力，am表示从一个交换机集合到另一个交换机集合所经路径当中的第m个交换机集合的编号，an表示从一个交换机集合到另一个交换机集合所经路径当中的第n个交换机集合的编号，C(an)表示第an个集合的最大承载能力，k表示从一个交换机集合到另一个交换机集合所经路径当中的第k个交换机集合，即核心交换机集合表示；
获得简化树并将简化树假想为一个隧道结构后，某个边缘交换机集合的最大接收能力Γ(Egrp(aj))由隧道的后半部分中承载能力最小的交换机集合的承载能力决定，即Γ(Egrp(aj))＝min{C(ak)，...，C(aj-1)}；
式中：Γ(Egrp(aj))表示编号为aj的交换机集合的最大接受能力，ak表示核心交换机集合的编号，aj-1表示所经路径当中第j-1个交换机集合的编号，aj表示所经路径当中第j个交换机集合的编号；C(ak)表示第ak个集合的最大承载能力，C(aj-1)表示第aj-1个集合的最大承载能力，最大接收能力计算公式如下：
式中：Γ(i)表示编号为i边缘交换机的最大接收能力，Group j表示编号为j的交换机集合，Γ(Egrp(j))表示编号为j的交换机集合的最大接收能力。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |