CN105915464A - 一种快速简单的量化拥塞通告方法 - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种快速简单的量化拥塞通告方法。本方法由拥塞点和响应点协同完成。响应点(即源端)将发送速率初始化为链路速率，根据其所接收到的反馈包类型决定是否降速、重置发送速率，或者在没有收到反馈包时采用折半搜索算法调整发送速率。拥塞点(即交换机)初始化变量congested来标识交换机是否经历过拥塞，并根据队列长度、以及队列长度在一个采样周期内的变化量，采样生成反馈包发送给响应点。本专利简化并改进了IEEE 802.1Qau工作组制定的链路层拥塞控制标准协议量化拥塞通告(QCN)，能够快速地获取空余的带宽，尤其适用于数据中心网络环境。

Description

一种快速简单的量化拥塞通告方法

技术领域

本发明涉及链路层拥塞控制算法，特别涉及一种快速简单的量化拥塞通告方法。

背景技术

现在的数据中心中部署了许多不同的在线应用服务提供给用户使用，比如搜索服务、社交网络服务、游戏服务、文件传输与存储服务等等。这些不同的服务产生的流量类型并不相同，这些不同的流量是由不同的网络承载传输的。比如TCP/IP流量运行于Ethernet中，块存储网络流量运行于光纤通道中，高性能计算流量运行Infiniband网络中。这些不同的组网技术使得数据中心的管理变得复杂，并且增加了数据中心的运营成本。为了处理这些问题，IEEE 802.1数据中心桥接工作组设计了数据中心以太网(Data Center Ethernet，DCE)，又叫增强型以太网(Enhanced Ethernet)。

DCE对传统的Ethernet的一个显著改进在于引进了链路层拥塞控制机制，从而为Ethernet提供了低延迟和无丢包的特性。其中，IEEE802.1Qbb制定的基于优先级流控机制(PFC)可以针对网络中的瞬时拥塞进行控制。它会发送Pause帧到上游设备让其停止发送数据包，从而防止数据包淹没下游的设备缓存。而IEEE 802.1Qau制定的量化拥塞通知(QCN)被用于控制网络中的长时拥塞。QCN的主要思想是将交换机的缓存队列控制在一个较小目标值附近，既提供了低延迟，又降低缓存溢出的概率，同时保证了高的链路利用率。

虽然QCN亦即在2010年被批准为链路层拥塞控制的标准机制，但是我们发现QCN算法存在可以进一步改进的地方。首先是QCN的折半搜索算法源自于BIC-TCP，然而QCN的拥塞探测方法与BIC-TCP不同，这使得QCN有时无法折半搜索算法找到合适的发送速率。因此，除了折半搜索之外，QCN额外添加了主动增长、超主动增长等补充机制，变得非常复杂。其次，QCN面对未知的网络环境时的采用了不同的速率设置方式。在初始发送数据时，QCN直接以链路速率发送数据；而当网络环境变化时，QCN以当前发送速率为起点，逐步地探索带宽。如果网络环境变化时当前发送速率很小，QCN可能会需要很长的时间来探测带宽，使得链路空闲的时间较长。

发明内容

针对QCN机制的缺陷，本发明设计了一种快速简单的量化拥塞通告算法(FSQCN)。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是一种快速简单的量化拥塞通告方法，包括拥塞点操作和响应点操作：

拥塞点操作包含以下步骤：

步骤一：初始化，并以预定频率采样通过的数据帧，然后执行步骤二；

步骤二：根据拥塞信息来选择发送拥塞反馈包或者速率重置包；当发送速率重置包时，在发送的同时判断是否超时，如果是，则执行步骤三，否则持续发送速率重置包；

步骤三：恢复初始状态，停止发送速率重置包，执行步骤一；

响应点操作包含以下步骤：

步骤1：初始化发送速率为链路速率；

步骤2：判断是否收到拥塞点发回的拥塞反馈包，如果是，则执行减速操作，然后执行步骤4；否则，执行步骤3；

步骤3：判断是否收到拥塞点发回的速率重置包，如果是，则根据是否恢复了目标速率来决定是否将当前速率重置为链路速率，执行步骤1；否则，执行步骤4；

步骤4：使用折半搜索算法周期性增加发送速率。

所述的方法，所述拥塞点的操作步骤一中，所述的初始化为将拥塞点处的拥塞标志位congested初始化为0，即非拥塞状态。

所述的方法，所述拥塞点的操作步骤二中，拥塞信息通过以下步骤得到：拥塞点每发送150KB数据则计算一次反映网络拥塞程度的量F_b及队列变化量Q_delta，并根据结果决定是否发送拥塞反馈包；根据F_b、congested及当前队列长度q_t来决定是否发送速率重置包，表示如下：

其中F_b＝-(Q_off+w·Q_delta)，Q_off＝q_t-q₀即队列长度相对于q₀的偏移量，Q_delta＝q_t-q_old是队列长度在采样周期内的变化量，q_old为上一次采样时的队列长度，q₀为目标队列长度，w为常数。

所述的方法，所述拥塞点的操作步骤三中：拥塞点连续发送速率重置包，直至满足预设的超时条件后，将congested位置0，并停止发送速率重置包。

所述的方法，所述响应点的操作步骤2中：响应点在收到拥塞反馈包后，将当前速率r保存为目标速率u，目标速率u加上一个常数后变为新的目标速率u_T，再采用如下乘性减的方式进行减速：

r←r(1-G_dF_b)

其中G_d为常数。

所述的方法，所述响应点的操作步骤3中，响应点在收到拥塞点发送的速率重置包时，如果当前发送速率恢复到目标速率，亦即r＝u_T，则将当前发送速率置为链路速率；如果没有恢复到目标速率，则不进行任何操作。

所述的方法，所述响应点的操作步骤4中，响应点按如下折半搜索算法周期性的调整发送速率：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_T\←u+\mathrm{\β}\\ r\←(r+u_T)/2\end{array}\right.$

其中β为常数，周期为发送150KB的数据的时间或15ms，如果r>u，则直接令r＝u_T。

所述的方法，所述的拥塞点为交换机，响应点为能调节发送速率的源端。

本发明的技术效果在于，本发明通过改进拥塞探测条件，确保折半搜索算法能够找到恰当的发送速率，从而无需使用QCN中那些复杂的补充机制；并且在面临网络环境未知状态时，显式的使用反馈信息指导源端重置发送速率，从而避免带宽的浪费，适用于流量突发的数据中心网络环境。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为移除QCN补充机制后进行实验时的队列长度。

图2为当存在空余带宽时的队列变化情况。

图3为本发明的拥塞点操作流程图。

图4为本发明的响应点操作流程图。

图5为本发明的响应点的状态转换图。

图6为本发明分段切换线的图形化示意图。

图7为本发明多对一的单跳测试环境拓扑图。

图8为本发明只使用折半搜索算法的FSQCN的队列长度的测试效果图。

图9为本发明当存在突发流时空余带宽获取情况的测试对比图。

图10为本发明拥塞交换机变化时的多跳测试环境拓扑图。

图11为本发明拥塞交换机变化时队列长度变化情况的测试对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容及优点更加清楚，下面结合附图对本发明的实施方式进行具体的阐述。

本发明所述的快速简单的量化拥塞通告方法是针对QCN的两个缺点的改进。首先，QCN不能通过折半搜索算法找到正好饱和瓶颈带宽的合适的发送速率，结果，QCN为折半搜索算法增加了额外的补充机制(主动增加、超主动增加)，使得QCN的设计变得复杂了。

为了验证QCN不能通过折半搜索算法找到合适的发送速率，在模拟实验中将QCN的补充机制如主动增加、超主动增加移除掉。模拟场景采用多对一的拓扑，一共12个发送端，1个接收端，链路速率为1Gbps，交换机缓存为120KB。测得的交换机的队长变化如图1所示，其中q_t为瞬时的队列长度，q₀为目标队列长度。可以看到队列减少到0，这说明瓶颈链路没有得到饱和。

其次，QCN在面对未知的网络环境时的速率设置存在不一致的地方。在初始时，QCN直接以链路速率发送数据，速率设置方式激进；而在探测带宽时，可能从一个较小的速率值开始缓慢地增长，即采用了保守的速率设置方式，这可能会导致获取剩余带宽的速度不快，造成链路空闲或利用率下降的时间较长。

同样地，为了验证QCN可能需要长的时间去获取剩余带宽，模拟实验采用了与图1同样的网络配置。实验中，一共有50条流向1个接收端发送数据，其中38条流在0.5s时完成数据的发送。从图2可以看到，当这些流停止后所释放的带宽QCN需要约100ms的时间去获取。这个数值与数据中心网络中通常的RTT相比是很长的时间。

本发明所述的快速简单的量化拥塞通告方法，以下简称FSQCN方法，处理了QCN的两个缺点。FSQCN通过采用分段的切换线使得通过折半搜索即可找到合适的发送速率，从而简化了QCN的设计；另外，当发现网络存在剩余带宽时，FSQCN通过拥塞点显式地反馈速率重置包，以快速地获取这些剩余带宽。

所述FSQCN方法，由拥塞点和响应点两个部分组成。其中，所述拥塞点为以太网中产生拥塞的交换机；所述响应点为发送端。

图3为本发明的拥塞点操作流程图。其操作过程如下：

步骤一：拥塞点将拥塞标志位congested初始化为0。

步骤二：拥塞点每发送150KB，记录队列长度相对于q₀的偏移量为Q_off＝q_t-q₀，以及队列长度在采样周期内的变化量Q_delta＝q_t-q_old。并计算一个反映网络拥塞程度的量F_b＝-(Q_off+w·Q_delta)，其中q_old为上一次采样时的队列长度，q₀为目标队列长度，q_t为当前队列长度，w为常数，本实施例中取2。

如果F_b<0且Q_delta>0，则拥塞点首先将congested置1，再发送拥塞反馈包给响应点，其中F_b被量化成6位并携带于拥塞反馈包中。

步骤三：如果F_b≥0,q_t≤2,congested＝1，则拥塞点对每一个进入的包都生成一个速率重置包发回到对应的响应点。如果拥塞点在连续地发送速率重置包的一段时间后，如0.5s，则恢复到初始的状态，即congested＝0，并不再发送速率重置包。

图4为响应点操作流程图，具体如下：

步骤1：响应点将流的发送速率置为链路速率。

步骤2：响应点根据该拥塞反馈包中携带的信息，采用乘性减的方式降速。首先当前的发送速率r保存为目标速率u；接着，采用如下公式降低发送速率：

r←r(1-G_dF_b)

其中G_d为常数，本实施例中取

在降速后，如果响应点每发送150KB的数据或每隔15ms，而没有收到拥塞反馈包，则采用折半搜索算法进行速率恢复，即

$r\&LeftArrow;\frac{r+u_T}{2}$

其中u_T＝u+β，β为一个常数，取5Mbps。如果收到速率重置包，则直接忽略掉。如果当前的发送速率满足r>u，则将当前速率直接设置为r＝u_T。

步骤3：响应点在收到该速率重置包后，判断当前响应点所处的状态。如果r＝u_T，则将当前速率r直接设置为链路速率。否则，继续采用折半搜索增加速率。

实际上，FSQCN的响应点可分为3个状态，如图5所示。在初始状态，响应点按步骤1操作，如果此时收到拥塞反馈包，则进入恢复状态；在恢复状态，响应点按步骤2和步骤3中的乘性减和折半搜索算法进行操作，直到恢复目标速率，之后进入目标状态；在目标状态，如果收到速率重置包，则进入初始状态；如果收到拥塞反馈包，则进入恢复状态。

图6是拥塞点的操作图。FSQCN所设计的分段的切换线将由Q_delta和Q_off构成的区域分成了二块。在切换线的上方，即速率降低区域。该区域F_b<0且Q_off>0，拥塞点会生成拥塞反馈包，并发回给响应点；而在切换线的下方区域，根据congested、队列长度是否小于等于2个包，拥塞点会生成速率重置包。

图7是我们进行测试用的网络拓扑图之一。瓶颈链路带宽的速率为1Gbps，交换机的上行链路是1Gbps，交换机的缓存是200Kbytes，链路的RTT是50微秒。所有流同时从客户端开始发送到一个接收端。这个拓扑反映了数据中心中多对一的发送模式。本专利对QCN和我们发明的FSQCN进行了性能比较，分别从折半搜索算法是否完全、对剩余带宽的折半速度进行了比较。

图8是FSQCN去掉了其他机制而只使用折半搜索时的队列长度变化情况。初始时有12个发送端向1个接收端发送数据。可以看到FSQCN很好地控制拥塞交换机的队列长度在了目标值附近，这说明FSQCN只通过折半搜索便找到了适合的发送速率，使得链路得到了充分利用。

图9中，初始时有50个发送端发送数据，其中有12条长流，剩余的38条流在0.5s时停止发送数据。由于这些流的停止，一部分的瓶颈带宽空余出来。结果显示QCN花费约93ms才能恢复到目标队长，这是因为QCN的发送速率的增加得慢。而FSQCN通过交换机显式反馈速率重置包，只花费了约23ms就获取了剩余带宽。

图10是我们进行测试的第二种网络拓扑图。实验场景是在第1秒时，背景流是发送端S₂以1Gbps的速率向接收端R₂发送的数据流。其中第0.5秒时，有8条突发流发送数据，它们在0.6s停止。接着，在第2秒时，发送端S₂停止发送数据，发送端S₃开始向接受端R₃发送背景流。同样地，在1.5秒时，有8条突发流发送数据，它们在1.6s停止。在这2秒的模拟实验中，发送端S₁一直向接收端R₁发送数据。这样，在第1秒时，拥塞的交换机时ToR₁，而在第2秒时，拥塞的交换机变成了Agg₁了。

图11比较了FSQCN和QCN在图10的网络拓扑图下拥塞交换机变化时的队列变化。可以看到在第1秒和第2秒，FSQCN都比QCN更快地恢复到了目标队列速率。这是因为对于FSQCN来说，当交换机发现带宽因流的离开而有空余时，立即发送速率重置包，结果FSQCN的源端很快地占用掉这些空余的带宽；而QCN需要慢慢地探测，所以FSQCN比QCN获取带宽的速度快。

Claims (8)

1.一种快速简单的量化拥塞通告方法，其特征在于，包括拥塞点操作和响应点操作：

拥塞点操作包含以下步骤：

步骤一：初始化，并以预定频率采样通过的数据帧，然后执行步骤二；

步骤二：根据拥塞信息来选择发送拥塞反馈包或者速率重置包；当发送速率重置包时，在发送的同时判断是否超时，如果是，则执行步骤三，否则持续发送速率重置包；

步骤三：恢复初始状态，停止发送速率重置包，执行步骤一；

响应点操作包含以下步骤：

步骤1：初始化发送速率为链路速率；

步骤2：判断是否收到拥塞点发回的拥塞反馈包，如果是，则执行减速操作，然后执行步骤4；否则，执行步骤3；

步骤3：判断是否收到拥塞点发回的速率重置包，如果是，则根据是否恢复了目标速率来决定是否将当前速率重置为链路速率，执行步骤1；否则，执行步骤4；

步骤4：使用折半搜索算法周期性增加发送速率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述拥塞点的操作步骤一中，所述的初始化为将拥塞点处的拥塞标志位congested初始化为0，即非拥塞状态。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述拥塞点的操作步骤二中，拥塞信息通过以下步骤得到：拥塞点每发送150KB数据则计算一次反映网络拥塞程度的量F_b及队列变化量Q_delta，并根据结果决定是否发送拥塞反馈包；根据F_b、congested及当前队列长度q_t来决定是否发送速率重置包，表示如下：

其中F_b＝-(Q_off+w·Q_delta)，Q_off＝q_t-q₀，即队列长度相对于q₀的偏移量，Q_delta＝q_t-q_old是队列长度在采样周期内的变化量，q_old为上一次采样时的队列长度,q₀为目标队列长度，w为常数。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述拥塞点的操作步骤三中：拥塞点连续发送速率重置包，直至满足预设的超时条件后，将congested位置0，并停止发送速率重置包。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述响应点的操作步骤2中：响应点在收到拥塞反馈包后，将当前速率r保存为目标速率u，目标速率u加上一个常数后变为新的目标速率u_T，再采用如下乘性减的方式进行减速：

r←r(1-G_dF_b)

其中G_d为常数。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述响应点的操作步骤3中，响应点在收到拥塞点发送的速率重置包时，如果当前发送速率恢复到目标速率，亦即r＝u_T，则将当前发送速率置为链路速率；如果没有恢复到目标速率，则不进行任何操作。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述响应点的操作步骤4中，响应点按如下折半搜索算法周期性的调整发送速率：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_T\&LeftArrow;u+\mathrm{\&beta;}\\ r\&LeftArrow;(r+u_T)/2\end{array}\right.$

其中β为常数，周期为发送150KB的数据的时间或15ms，如果r>u，则直接令r＝u_T。

8.根据权利要求1-7任一所述的方法，其特征在于，所述的拥塞点为交换机，响应点为能调节发送速率的源端。