CN108718283B - 数据中心网络中集中式端网协调的tcp拥塞控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数据中心网络中集中式端网协调的TCP拥塞控制方法，其包括获取其每个端口的队列长度，当端口处于拥塞状态时，根据不同拥塞等级的队列长度阈值，对端口的拥塞等级进行标记；提取处于拥塞状态的端口新入队的每个数据包的源目IP、源目TCP端口和Packet字节大小，并采用提取的信息与端口的拥塞等级生成拥塞报文；控制器接收交换机上传的拥塞报文，并根据拥塞报文对应端口的拥塞等级选取端口需要降速的调度流和降速因子；采用每个拥塞端口的调度流和降速因子生成调整报文，并通过TCP Socket通信的方式将该调整报文发送给调度流对应的主机端；主机端根据调整报文中的调度流和降速因子，调整调度流的发送速率。

Description

数据中心网络中集中式端网协调的TCP拥塞控制方法

技术领域

本发明涉及网络拥塞时的调整方法，具体涉及一种数据中心网络中集中式端网协调的TCP拥塞控制方法。

背景技术

随着云计算的飞速发展和互联网应用业务的大幅增加，导致了数据中心网络中流量的急剧增长，流量的增长导致了网络带宽资源的紧张，一旦链路不能满足高速的数据流，网络就将发生拥塞，出现队列累积、丢包、时延增大等现象，严重影响网络性能和用户体验。为了缓解数据中心的拥塞问题，使网络尽量满足不同特征的流量所提出的要求，数据中心网络下的拥塞控制机制成为了研究热点。

针对数据中心网络下的拥塞控制机制，目前常用专门为数据中心网络所设计的分布式拥塞控制机制，通过主动队列管理的方式改进TCP的拥塞控制算法及利用了SDN技术集中式控制的优势，由控制器根据上报的网络状态信息集中对拥塞进行决策对网络下的拥塞进行调整，这两种方法虽然都能一定程度的降低数据中心网络的拥塞程度，但是第一种机制容易引起并发、突发带来的冲突同步和路由频繁变化，而第二种需要维持和探测所有流的实时存活时间和流量大小等信息，在交换机侧还需要对TCP通告窗口值进行更新，使得交换机解析和缓存的开销较大。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的数据中心网络中集中式端网协调的TCP拥塞控制方法能够通过调整拥塞场景下的TCP流速率缓解拥塞问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种数据中心网络中集中式端网协调的TCP拥塞控制方法，其包括：

交换机获取其每个端口的队列长度，并判断端口是否处于拥塞状态；

若端口处于拥塞状态，根据不同拥塞等级的队列长度阈值，对端口的拥塞等级进行标记；

提取处于拥塞状态的端口新入队的每个数据包的源目IP、源目TCP端口和Packet字节大小，并采用提取的信息与端口的拥塞等级生成拥塞报文；

控制器接收交换机上传的拥塞报文，并根据拥塞报文对应端口的拥塞等级选取端口需要降速的调度流和降速因子；

采用每个拥塞端口的调度流和降速因子生成调整报文，并通过TCP Socket通信的方式将该调整报文发送给调度流对应的主机端；

主机端根据调整报文中的调度流和降速因子，调整调度流的发送速率：

cwnd_降＝μ×cwnd_初

其中，cwnd_降为调整后发送速率；cwnd_初为初始发送速率；μ为降速因子，0＜μ＜1。

进一步地，当所述拥塞等级包括低拥塞、中拥塞和高拥塞时，所述根据拥塞报文对应端口的拥塞等级选取需要降速的调度流进一步包括：

当拥塞报文对应端口的拥塞等级为中拥塞和高拥塞时，选取同一拥塞端口所有拥塞报文对应的流为调度流；

当拥塞报文对应端口的拥塞等级为低拥塞时，选取当前设定时间段内同一低拥塞端口的拥塞报文；

根据拥塞报文中的流信息，累加来自于同一流的拥塞报文数量；

选取拥塞报文数量最多的流作为调度流，之后返回选取下一设定时间段内同一低拥塞端口的拥塞报文。

进一步地，当低拥塞的端口在选取调度流时，若存在多条流具有相同数量的拥塞报文时，选取拥塞报文最多且累计字节数最多的流作为调度流。

进一步地，当所述拥塞等级包括低拥塞、中拥塞和高拥塞时，低拥塞时降速因子＞中拥塞时降速因子＞高拥塞时降速因子。

进一步地，数据中心网络中集中式端网协调的TCP拥塞控制方法还包括：

记录控制器下发拥塞端口相应调整报文的下发时间；

当自下发时间起，在设定时间阈值内控制器接收到拥塞端口恢复正常的恢复信息时，控制器将拥塞端口的恢复因子发送给已降速的调度流对应的主机端；

主机端根据恢复因子，调整已降速调度流的恢复速率：

cwnd_恢复＝γ×cwnd_当前

其中，cwnd_恢复为已降速调度流的恢复速率；γ为恢复因子，γ＞1；cwnd_当前为当前实时的发送速率。

进一步地，数据中心网络中集中式端网协调的TCP拥塞控制方法还包括：

记录主机端接收拥塞端口相应调整报文的接收时间；

当自接收时间起，在设定时间阈值后同一调度流仍在传输时，主机端根据提速因子对已降速的调度流进行提速处理：

cwnd_提＝β×cwnd_当前

其中，cwnd_提为已降速调度流提速后的速率；β为提速因子，β＞1。

进一步地，所述端口的拥塞等级的确定方法包括：

获取低拥塞等级的队列长度阈值、中拥塞等级的队列长度阈值和高拥塞等级的队列长度阈值；

当端口的队列长度小于低拥塞等级的队列长度阈值时，端口为正常状态；

当端口的队列长度大于等于低拥塞等级的队列长度阈值，且小于中拥塞等级的队列长度阈值时，标记端口为低拥塞等级；

当端口的队列长度大于等于中拥塞等级的队列长度阈值，且小于高拥塞等级的队列长度阈值时，标记端口为中拥塞等级；

当端口的队列长度大于等于高拥塞等级的队列长度阈值时，标记端口为高拥塞等级。

与现有技术中的拥塞控制方法相比，本发明的有益效果为：

本方案主要应对网络资源不能满足业务需求而导致的拥塞，监测交换机侧拥塞产生的实时队列累积，通过SDN技术直接控制源端TCP流量速率的方式，快速缓解网络拥塞并有效降低时间敏感的小流传输时延，同时稳定队列长度以保证能够容忍网络中的突发流，其具有优化性、灵活性和高效性等优点。

其中，优化性：本方案采用集中式端网协调方案不仅利用交换机，同时还直接利用主机，主机的计算与缓存资源较为充裕，而交换机资源较为宝贵，能够大幅降低交换机的解析与缓存开销。

灵活性：本方案利用控制器集中管理数据中心网络产生的拥塞问题，能够获取全网状态并进行更优的全局决策，能够根据不同数据中心网络定制化调整更加契合的算法参数，能够方便获知网络传输性能与状态。

高效性：本方案所提出的拥塞控制机制，在大业务量的数据中心网络场景下也能够高效的缓解拥塞，稳定交换机队列长度，减少拥塞带来的损失，并能大幅度降低时延敏感的小流平均完成时间，提升传输性能。

附图说明

图1为数据中心网络中集中式端网协调的TCP拥塞控制方法的流程图。

图2为拥塞报文的格式。

图3为本方案数据中心网络中集中式端网协调的TCP拥塞控制方法一种情况下的部署场景。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

参考图1，图1示出了数据中心网络中集中式端网协调的TCP拥塞控制方法的流程图；如图1所示，该方法包括步骤101至步骤106。

在步骤101中，交换机获取其每个端口的队列长度，并判断端口是否处于拥塞状态；此处，主要是将端口的队列长度与低拥塞等级的队列长度阈值进行比较，若端口的队列长度小于低拥塞等级的队列长度阈值，则认为端口处于正常状态，无需调整流的速率；当若端口的队列长度大于等于低拥塞等级的队列长度阈值，则认为端口处于拥塞状态，需要调整流的速率。

在步骤102中，若端口处于拥塞状态，根据不同拥塞等级的队列长度阈值，对端口的拥塞等级进行标记。

在本发明的一个实施例中，所述端口的拥塞等级的确定方法包括：

获取低拥塞等级的队列长度阈值、中拥塞等级的队列长度阈值和高拥塞等级的队列长度阈值；

当端口的队列长度小于低拥塞等级的队列长度阈值时，端口为正常状态；

当端口的队列长度大于等于低拥塞等级的队列长度阈值，且小于中拥塞等级的队列长度阈值时，标记端口为低拥塞等级；

当端口的队列长度大于等于中拥塞等级的队列长度阈值，且小于高拥塞等级的队列长度阈值时，标记端口为中拥塞等级；

当端口的队列长度大于等于高拥塞等级的队列长度阈值时，标记端口为高拥塞等级。

实施时，本方案优选当所述拥塞等级包括低拥塞、中拥塞和高拥塞时，低拥塞时降速因子＞中拥塞时降速因子＞高拥塞时降速因子，具体地，低拥塞时降速因子选取0.8，中拥塞时降速因子选取0.7，高拥塞时降速因子选取0.6。

在步骤103中，提取处于拥塞状态的端口新入队的每个数据包的源目IP、源目TCP端口和Packet字节大小，并采用提取的信息与端口的拥塞等级生成拥塞报文。

如图2所示，拥塞报文中的ofp_header为OpenFlow协议报文头部，它表明该控制报文为PACKET_IN消息；in_port域填入的信息指明哪个交换机端口发生了队列拥塞；reason域指明拥塞等级；data域填入数据报文提取出的源目IP、源目TCP端口、Packet字节大小。

在生成拥塞报文时，本方案采用定制化OpenFlow协议异步消息中的PACKET_IN消息，修改该消息来创建拥塞报文。

本方案中交换机实现的主要功能有：监控交换机队列长度来判断网络是否拥塞，如果出现拥塞状态，则开始对新到来的数据包进行信息提取，同时分级不同的拥塞状态来表征拥塞程度，生成拥塞状态报文并上报控制器；如果拥塞端口通过调整恢复到正常状态时，交换机则将解除拥塞状态并上报拥塞恢复状态给控制器。若未达到拥塞阈值则只做正常的交换机转发工作。

在步骤104中，控制器接收交换机上传的拥塞报文，并根据拥塞报文对应端口的拥塞等级选取端口需要降速的调度流和降速因子。

在本发明的一个实施例中，当所述拥塞等级包括低拥塞、中拥塞和高拥塞时，所述根据拥塞报文对应端口的拥塞等级选取需要降速的调度流进一步包括：

当拥塞报文对应端口的拥塞等级为中拥塞和高拥塞时，选取同一拥塞端口所有拥塞报文对应的流为调度流；

当拥塞报文对应端口的拥塞等级为低拥塞时，选取当前设定时间段内同一低拥塞端口的拥塞报文；

根据拥塞报文中的流信息，累加来自于同一流的拥塞报文数量；

选取拥塞报文数量最多的流作为调度流，之后返回选取下一设定时间段内同一低拥塞端口的拥塞报文。

在特例下，可能会存在多条流具有相同数量的拥塞报文，此时本方案优先当低拥塞的端口在选取调度流时，若存在多条流具有相同数量的拥塞报文时，选取拥塞报文最多且累计字节数最多的流作为调度流。

下面以一个具体的实例对拥塞报文对应端口的拥塞等级为低拥塞时的调整流的选取进行说明：

假设在当前设定时间段内某拥塞端口共上报了10个低拥塞状态报文，其中8个来自流1，1个来自流2，1个来自流3，将选取流1作为下一步的待降速流。假设4个来自流1，4个来自流2，2个来自流3，而流1的四个报文累积传输4000字节，流2的四个报文累积传输1000字节，此时将选取流1作为下一步的待降速流。

在步骤105中，采用每个拥塞端口的调度流和降速因子生成调整报文，并通过TCPSocket通信的方式将该调整报文发送给调度流对应的主机端；其中的调整报文包括调度流的TCPPort、流对应拥塞端口的拥塞等级及降速因子。

本方案中，控制器在下发三种拥塞端口对应的调整报文时，会将该降速流的信息存入正在降速流列表，定时Rt微秒(Rt微秒等于本方案中提到的设定时间阈值表征的时间长度)；如果在Rt微秒内仍然有该流的拥塞状态报文上报，将不予处理，因为该条流已经进行了降速处理，Rt微秒后再将该流从正在降速流列表中删除。

在本发明的一个实施例中，数据中心网络中集中式端网协调的TCP拥塞控制方法还包括：

记录控制器下发拥塞端口相应调整报文的下发时间；

当自下发时间起，在设定时间阈值内控制器接收到拥塞端口恢复正常的恢复信息时，控制器将拥塞端口的恢复因子发送给已降速的调度流对应的主机端；

主机端根据恢复因子，调整已降速调度流的恢复速率：

cwnd_恢复＝γ×cwnd_当前

其中，cwnd_恢复为已降速调度流的恢复速率；γ为恢复因子，γ＞1；cwnd_当前为当前实时的发送速率。

在步骤106中，主机端根据调整报文中的调度流和降速因子，调整调度流的发送速率：

cwnd_降＝μ×cwnd_初

其中，cwnd_降为调整后发送速率；cwnd_初为初始发送速率；μ为降速因子，0＜μ＜1。

在本发明的一个实施例中，数据中心网络中集中式端网协调的TCP拥塞控制方法还包括：

记录主机端接收拥塞端口相应调整报文的接收时间；

当自接收时间起，在设定时间阈值后同一调度流仍在传输时，主机端根据提速因子对已降速的调度流进行提速处理：

cwnd_提＝β×cwnd_当前

其中，cwnd_提为已降速调度流提速后的速率；β为提速因子，β＞1。

主机端主动对已降速的调度流进行提速处理主要为了减小控制器与主机端之间的控制报文数量，减轻控制器的运算下发压力；控制器初始配置调整因子参数即可，主机端将自行完成后续拥塞流窗口调整后的提速策略。

下面接着对本方案提供的数据中心网络中集中式端网协调的TCP拥塞控制方法的部署环境进行说明：

该发明技术可以部署在主机可修改的SDN数据中心网络中，以实现数据中心网络的拥塞控制。

SDN网络相对于传统网络架构而言是一种革命性的变革。它将控制功能从网络交换设备中分离出来，将其移入逻辑上独立的控制环境——网络控制系统之中。该系统可在通用的服务器上运行，任何用户可随时、直接进行控制功能编程。因此，控制功能既不再局限于路由器中，也不再局限于只有设备的生产厂商才能够编程和定义。SDN的本质是逻辑集中控制层的可编程化。

SDN的三大关键要素：

1)转发与控制分离，使得网络交换机的数据转发变得更加简单、快速；同时，控制变成了网络操作系统中一个相对集中的逻辑功能。

2)OpenFlow协议向交换机传送转发表，交换机依此转发报文。这种做法与传统网络完全不同。在传统网络架构中，交换机和路由器需要自己决定报文的转发路径，这可能会给网络运营商带来一些不可预知的负面影响，包括成本增加、性能降低、上市时间延缓等。有了SDN，控制软件决定报文的转发路径，使得运营商可以“随心所欲”地控制网络。

3)具有一致性的、全系统范围的网络操作系统可编程接口，能让网络实现真正意义上的可编程或者软件定义。

如图3所示，本方案提供的调整拥堵的控制方法需要部署在主机可修改的SDN数据中心网络中，该图体现了主机、SDN交换机和控制器之间控制平面报文的交互过程，数据平面报文的交互只涉及主机与交换机之间的二层转发。

由于采用的是带内通信机制，交互过程中的控制报文仍需通过数据平面的信道进行传输，因此底层网络中同时传输着数据报文和控制报文。

主机作为集中式端网协调机制区分传统SDN集中式机制最大的不同点，主机需要安装Agent应用建立与控制器的TCP连接，实现控制器与主机的直接通信，主机Agent还需要接收处理来自控制器的控制报文并触发对TCP拥塞窗口调整。交换机需要监测每个端口的队列长度，当队列长度超过或者降低至设定阈值时，交换机能够有能力上报拥塞状态给控制器。控制器是整个网络中最主要也是最复杂的部分，需要获取全网信息并作出拥塞控制决策；实现与底层交换机、主机之间的通信，还有拓扑信息管理，状态信息存储，拥塞控制算法设计决策等多项功能。

下面对本方案的控制方案部署在如图3所示部署环境的部署工作流程进行说明：

数据中心网络运营商可以将本方案所提出的集中式端网协调TCP拥塞控制机制部署在主机端可修改的软件定义数据中心网络上。

将本方案拥塞控制机制进行实施部署后，数据中心网络开始启动运行，控制器利用OpenFlow协议与网络设备进行信息交互，获取网络设备与拓扑信息，控制器将获取的拓扑信息存储并开始计算主机、交换机与控制器进行控制通信的默认流表项，计算完毕后再下发配置到相应的交换机。

控制器的拥塞控制算法将下发给主机和交换机算法所需的队列阈值、调整因子、定时时长等算法参数，该机制的具体参数取值都能通过控制器进行灵活定制修改与下发。

数据中心网络正常运行与转发通信过程中，交换机根据配置拥塞等级对应的队列长度阈值实时上报队列拥塞状态信息，控制器实时触发任务并执行集中式端网协调TCP拥塞控制算法，算法决策后执行规则下发流程。

将算法决策后需要下发的拥塞控制参数生成对应的控制报文下发给目标的源端主机，主机接收进行处理，完成TCP流的拥塞窗口调整，缓解网络拥塞。

Claims (5)

1.数据中心网络中集中式端网协调的TCP拥塞控制方法，其特征在于，包括：

交换机获取其每个端口的队列长度，并判断端口是否处于拥塞状态；

若端口处于拥塞状态，根据不同拥塞等级的队列长度阈值，对端口的拥塞等级进行标记；

提取处于拥塞状态的端口新入队的每个数据包的源目IP、源目TCP端口和Packet字节大小，并采用提取的信息与端口的拥塞等级生成拥塞报文；

控制器接收交换机上传的拥塞报文，并根据拥塞报文对应端口的拥塞等级选取端口需要降速的调度流和降速因子；

采用每个拥塞端口的调度流和降速因子生成调整报文，并通过TCP Socket通信的方式将该调整报文发送给调度流对应的主机端；

主机端根据调整报文中的调度流和降速因子，调整调度流的发送速率：

cwnd_降＝μ×cwnd_初

其中，cwnd_降为调整后发送速率；cwnd_初为初始发送速率；μ为降速因子，0＜μ＜1；

当所述拥塞等级包括低拥塞、中拥塞和高拥塞时，所述根据拥塞报文对应端口的拥塞等级选取需要降速的调度流进一步包括：

当拥塞报文对应端口的拥塞等级为中拥塞和高拥塞时，选取同一拥塞端口所有拥塞报文对应的流为调度流；

当拥塞报文对应端口的拥塞等级为低拥塞时，选取当前设定时间段内同一低拥塞端口的拥塞报文；

根据拥塞报文中的流信息，累加来自于同一流的拥塞报文数量；

选取拥塞报文数量最多的流作为调度流，之后返回选取下一设定时间段内同一低拥塞端口的拥塞报文；

数据中心网络中集中式端网协调的TCP拥塞控制方法还包括：

记录主机端接收拥塞端口相应调整报文的接收时间；

当自接收时间起，在设定时间阈值后同一调度流仍在传输时，主机端根据提速因子对已降速的调度流进行提速处理：

cwnd_提＝β×cwnd_当前

其中，cwnd_提为已降速调度流提速后的速率；β为提速因子，β＞1。

2.根据权利要求1所述的数据中心网络中集中式端网协调的TCP拥塞控制方法，其特征在于，当低拥塞的端口在选取调度流时，若存在多条流具有相同数量的拥塞报文时，选取拥塞报文最多且累计字节数最多的流作为调度流。

3.根据权利要求1所述的数据中心网络中集中式端网协调的TCP拥塞控制方法，其特征在于，当所述拥塞等级包括低拥塞、中拥塞和高拥塞时，低拥塞时降速因子＞中拥塞时降速因子＞高拥塞时降速因子。

4.根据权利要求1-3任一所述的数据中心网络中集中式端网协调的TCP拥塞控制方法，其特征在于，还包括：

记录控制器下发拥塞端口相应调整报文的下发时间；

当自下发时间起，在设定时间阈值内控制器接收到拥塞端口恢复正常的恢复信息时，控制器将拥塞端口的恢复因子发送给已降速的调度流对应的主机端；

主机端根据恢复因子，调整已降速调度流的恢复速率：

cwnd_恢复＝γ×cwnd_当前

其中，cwnd_恢复为已降速调度流的恢复速率；γ为恢复因子，γ＞1；cwnd_当前为当前实时的发送速率。

5.根据权利要求1或3所述的数据中心网络中集中式端网协调的TCP拥塞控制方法，其特征在于，所述端口的拥塞等级的确定方法包括：

获取低拥塞等级的队列长度阈值、中拥塞等级的队列长度阈值和高拥塞等级的队列长度阈值；

当端口的队列长度小于低拥塞等级的队列长度阈值时，端口为正常状态；

当端口的队列长度大于等于低拥塞等级的队列长度阈值，且小于中拥塞等级的队列长度阈值时，标记端口为低拥塞等级；

当端口的队列长度大于等于中拥塞等级的队列长度阈值，且小于高拥塞等级的队列长度阈值时，标记端口为中拥塞等级；

当端口的队列长度大于等于高拥塞等级的队列长度阈值时，标记端口为高拥塞等级。

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