CN109120544A - 一种数据中心网络中基于主机端流量调度的传输控制方法 - Google Patents

一种数据中心网络中基于主机端流量调度的传输控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种数据中心网络中基于主机端流量调度的传输控制方法，包括：数据包抵达发送方主机端的网络协议栈时，根据数据包所属应用当前累积发送到网络中的数据包个数，发送方主机端的网络协议栈动态定义数据包的优先级；数据包从发送方主机端的网络协议栈进入发送方主机端的网卡队列时，网卡队列根据数据包的优先级来确定据包的调度顺序和丢包顺序；数据包从发送方主机端的网卡队列进入交换机队列；按照数据包的调度顺序，数据包从交换机队列进入接收方主机端，接收方向发送方发送拥塞反馈信息；基于拥塞反馈信息，发送方主机端进行拥塞控制和丢包处理。本发明通过将网络中的丢包转移至主机端中，可有效缓解网络丢包，提高网络资源利用率。

Description

一种数据中心网络中基于主机端流量调度的传输控制方法
技术领域
本发明属于云数据中心网络传输领域，更具体地，涉及一种数据中心网络中基于主机端流量调度的传输控制方法。
背景技术
越来越多的应用移向云数据中心，导致云数据中心的应用日趋复杂化和多样化，而这些复杂和多样化的应用产生了大量数据特征和需求都千差万别的网络数据流。这些复杂的网络数据流都要争用有限的网络资源，导致很难保证云数据中心复杂应用的QoS需求；同时，云数据中心传输网络数据流具有突发性，当多个时延敏感应用的数据流并发的与大块的备份数据流争用网络资源时，很容易导致时延敏感的应用无法获得低时延的QoS保障。同时，多个数据流争用一个共享的网络链路时，大块数据流容易将小块数据流的多个数据包分割开来，致使一部分小块数据流的数据包长时间无法被传送，大大地增加时延敏感应用的尾时延，从而降低整体的传输性能。另一方面，为提升资源利用率，云数据中心一般都在一个物理机上布置多个虚拟机，再以虚拟机为服务单元面向租户提供服务，这进一步使云数据中心应用更加复杂。
现有保障云数据中心网络QoS(quality of service,服务质量)的传输方案大致可以分为两类：一类是，云数据中心网络传输协议，这类方案具有很好的可部署性，不需要提前获知任何云数据中心应用的数据特征，也不需要修改任何软硬件，因此能很好的适用于各类云数据中心；但是，这类方案由于对云数据中心复杂的应用缺乏明确地区分，导致很难提供非常出众的性能。另一类云数据中心多队列传输方案，利用提前获知的云数据中心应用的数据特征，来明确地区分各类复杂的应用，并为这些应用提供差异化的QoS保障，由于针对不同的QoS需求的应用采用差异化的QoS保障机制，这类传输方案一般都能获得非常不错的性能；但是，这类方案存在两个明显的缺陷：一是，它们需要提前获知云数据中心复杂应用的数据特征，首先，云数据中心的应用一般都是动态变化的，动态地提取这些复杂应用的数据特征是不现实的。另外，动态地将这些复杂的数据特征从用户态传输到传输层，会带来很大的开销。二是，这类传输方案一般都需要修改上层应用，或者定制特定功能的交换机，来完成特定的流量调度机制，这导致这类方案很难在现在的云数据中心中实施。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有技术无法在不改动云数据中心硬件的前提下兼顾网络传输性能的技术问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明实施例提供了一种数据中心网络中基于主机端流量调度的传输控制方法，该方法包括以下步骤：
S1.数据包抵达发送方主机端的网络协议栈时，根据所述数据包所属应用当前累积发送到网络中的数据包个数，发送方主机端的网络协议栈动态定义所述数据包的优先级；
S2.所述数据包从发送方主机端的网络协议栈进入发送方主机端的网卡队列时，所述网卡队列根据所述数据包的优先级来确定所述数据包的调度顺序和丢包顺序；
S3.所述数据包从发送方主机端的网卡队列进入交换机队列；
S4.按照所述数据包的调度顺序，所述数据包从所述交换机队列进入接收方主机端，接收方向发送方发送拥塞反馈信息；
S5.基于拥塞反馈信息，发送方主机端进行拥塞控制和丢包处理。
更具体地，所述动态定义所述数据包的优先级的规则为：应用向网络中发送的数据包越少，其数据包的优先级就越高；应用向网络中发送的数据包越多，其数据包的优先级就越低。
更具体地，在定义所述数据包的优先级之后，将该优先级储存到数据包IP头部的DSCP域中。
更具体地，所述调度顺序即从交换机队列出队的顺序，按照数据包优先级由高到低的顺序依次出队；所述丢包顺序即从发送方主机端网卡队列丢弃数据包的顺序，按照数据包优先级由低到高的顺序依次丢弃。
更具体地，所述交换机为小缓存交换机。
更具体地，所述拥塞反馈信息分为三种：1)未拥塞；2)轻度拥塞；3)重度拥塞。
更具体地，未拥塞的判断依据为：发送方收到的ACK包不带ECN拥塞标志；轻度拥塞的判断依据为：①发送方收到的ACK包带ECN拥塞标志；②短流的数据包未出现超时；重度拥塞的判断依据为：①发送方收到的ACK包带ECN拥塞标志；②短流的数据包出现超时。
更具体地，步骤S5具体如下：
若发送方接收到的拥塞反馈信息为未拥塞，则通过LLDCT协议来放大短流的发送窗口的大小；若发送方接收到的拥塞反馈信息为轻度拥塞，则通过LLDCT协议来缩小长流的发送窗口的大小；若发送方接收到的拥塞反馈信息为重度拥塞，则按照发送方主机端网卡队列中数据包的优先级由低到高的顺序丢弃数据包，直到网络拥塞缓解到轻度拥塞。
更具体地，所述放大短流的发送窗口的大小的方式为：cwnd＝cwnd+k，其中，cwnd为应用的发送窗口大小，k为修正参数，k＞0；所述缩小长流的发送窗口的大小的方式为：cwnd＝cwnd*(1-b/2)，其中，cwnd为应用的发送窗口大小，b为修正参数，0＜b＜1。
第二方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述第一方面所述的传输控制方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.本发明通过从交换机解耦主机端的流量调度，通过将网络中的丢包转移至发送方主机端网卡队列中，可有效缓解网络丢包，提高网络资源利用率；在主机端利用最少获得服务优先算法，在交换机端利用先进先出算法，不仅能使本发明能适用于任何复杂应用的数据中心，并获得近似最优的网络传输性能。
2.本发明通过两种反馈调节机制，将拥塞反馈控制应用于流量调度，避免了现有基于内网优先级流量调度算的缺陷，同时获得与内网优先级流量调度算法同样有效的网络传输性能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种数据中心网络中基于主机端流量调度的传输控制方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的两个拥塞反馈控制机制示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为本发明实施例提供的一种数据中心网络中基于主机端流量调度的传输控制方法的流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤：
S1.数据包抵达发送方主机端的网络协议栈时，根据所述数据包所属应用当前累积发送到网络中的数据包个数，发送方主机端的网络协议栈动态定义所述数据包的优先级；
S2.所述数据包从发送方主机端的网络协议栈进入发送方主机端的网卡队列时，所述网卡队列根据所述数据包的优先级来确定所述数据包的调度顺序和丢包顺序；
S3.所述数据包从发送方主机端的网卡队列进入交换机队列；
S4.按照所述数据包的调度顺序，所述数据包从所述交换机队列进入接收方主机端，接收方向发送方发送拥塞反馈信息；
S5.基于拥塞反馈信息，发送方主机端进行拥塞控制和丢包处理。
步骤S1.数据包抵达发送方主机端的网络协议栈时，根据所述数据包所属应用当前累积发送到网络中的数据包个数，发送方主机端的网络协议栈动态定义所述数据包的优先级。
数据包的优先级可定义为所属应用当前累积发送到网络中的数据包个数。因此，应用向网络中发送的数据包越少，其数据包的优先级就越高；应用向网络中发送的数据包越多，其数据包的优先级就越低。
发送方主机端的网络协议栈具体为Linux网络协议栈。利用Linux内核的Netfilter框架来对数据包进行优先级编码，即根据数据包所属应用累积发送到网络中数据流的大小，来为每一个数据包进行编辑优先级，并将该优先级储存到数据包IP头部的DSCP域中。
数据包IP头部的服务类别TOS标识域包括两部分：DSCP(6比特)+ECN(2比特)，其中，DSCP(Differentiated Services Code Point,差分服务代码点)用于区分服务的优先级，ECN(Explicit Congestion Notification,显式拥塞通知)用于实现显式拥塞通知的功能。
结合Linux网络协议栈Netfilter框架，根据数据包的优先级和拥塞反馈信息，本发明可以对所有数据包的调度顺序和丢包顺序进行调整。
步骤S2.所述数据包从发送方主机端的网络协议栈进入发送方主机端的网卡队列时，所述网卡队列根据所述数据包的优先级来确定所述数据包的调度顺序和丢包顺序。
调度顺序即从交换机队列出队的顺序，按照数据包优先级由高到低的顺序依次出队。丢包顺序即从发送方主机端网卡队列丢弃数据包的顺序，按照数据包优先级由低到高的顺序依次丢弃。
由于是基于主机端的流量调度，因此，不受现有交换机支持优先级队列数量的限制，因此本发明在主机端能获得近似最优的调度顺序，让数据量小的应用优先占用网络资源发送数据包，能最优化网络传输性能，因此，本发明能获得近似最优的传输性能。
步骤S3.所述数据包从发送方主机端的网卡队列进入交换机队列。
本发明使用小缓存(Shallow buffer)交换机，并且在交换机中使用单一的先进先出(FIFO)队列，来实现交换机低的计算和设计开销，并且使得本发明能适用于任何复杂的云数据中心。所有应用的数据包在交换机队列中，不区分优先级。
步骤S4.按照所述数据包的调度顺序，所述数据包从所述交换机队列进入接收方主机端，接收方向发送方发送拥塞反馈信息。
每个支持显式拥塞通知ECN机制的交换机缓存中保存了一个显式拥塞通知ECN门限值。当交换机端口的数据包的个数超过该门限值时，交换机会在每个数据包的头部的ECN域标识拥塞。接收方收到带有ECN拥塞标识的数据包后，会在反馈给发送方的数据包ACK的IP头部标识拥塞。
拥塞反馈信息分为三种：1)未拥塞；2)轻度拥塞；3)重度拥塞。
未拥塞的判断依据为：发送方主机端的网卡队列长度超过ECN门限值，此时，发送方收到的ACK包不带ECN拥塞标志。
轻度拥塞的判断依据为：①送方主机端的网卡队列长度不超过ECN门限值，此时，发送方收到的ACK包带ECN拥塞标志；②短流的数据包未出现超时。
重度拥塞的判断依据为：①送方主机端的网卡队列长度不超过ECN门限值，此时，发送方收到的ACK包带ECN拥塞标志；②短流的数据包出现超时。
步骤S5.基于拥塞反馈信息，发送方主机端进行拥塞控制和丢包处理。
发送方基于拥塞反馈信息，就能知道在上一次传输中网络的拥塞状况，并采取相应的措施，具体如下：
若发送方接收到的拥塞反馈信息为未拥塞，则通过LLDCT协议来放大短流的发送窗口的大小。具体如下：cwnd＝cwnd+k，此时发送窗口逐步放大，该次传输的数据包增加；其中，cwnd为应用的发送窗口大小，k为修正参数，k＞0。
若发送方接收到的拥塞反馈信息为轻度拥塞，则通过LLDCT协议来缩小长流的发送窗口的大小。具体如下：cwnd＝cwnd*(1-b/2)，此时发送窗口缩小，该次传输的数据包减少，从而缓解网络拥塞；其中，cwnd为应用的发送窗口大小，b为修正参数，0＜b＜1。
若发送方接收到的拥塞反馈信息为重度拥塞，则按照发送方主机端网卡队列中数据包的优先级由低到高的顺序丢弃数据包，直到网络拥塞缓解到轻度拥塞。
LLDCT传输协议模拟最少获得服务优先算法，基于这个算法，LLDCT定义了两个修正参数b和k，用于在每一个传输轮次中调节发送窗口的大小。
图2为本发明实施例提供的两个拥塞反馈控制机制示意图。如图2所示，长虚线表示，当发送方收到带有ECN拥塞标志的ACK，但是时延敏感应用的数据包没有出现超时，说明网络出现轻度拥塞，此时，利用云数据中心传输协议LLDCT来实施拥塞控制。短虚线表示，当发送方收到带有ECN拥塞标志的ACK，同时时延敏感应用的数据包出现超时，说明网络出现重度拥塞，此时，丢弃主机端网卡队列中最低优先级的数据包，直到网络拥塞缓解到轻度拥塞。
通过将网络中的丢包转移至发送方主机端网卡队列中，可有效缓解网络丢包，提高网络资源利用率。对于丢弃的数据包，利用LLDCT协议实施丢包恢复策略。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种数据中心网络中基于主机端流量调度的传输控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1.数据包抵达发送方主机端的网络协议栈时，根据所述数据包所属应用当前累积发送到网络中的数据包个数，发送方主机端的网络协议栈动态定义所述数据包的优先级；
S2.所述数据包从发送方主机端的网络协议栈进入发送方主机端的网卡队列时，所述网卡队列根据所述数据包的优先级来确定所述数据包的调度顺序和丢包顺序；
S3.所述数据包从发送方主机端的网卡队列进入交换机队列；
S4.按照所述数据包的调度顺序，所述数据包从所述交换机队列进入接收方主机端，接收方向发送方发送拥塞反馈信息；
S5.基于拥塞反馈信息，发送方主机端进行拥塞控制和丢包处理。
2.如权利要求1所述的传输控制方法，其特征在于，所述动态定义所述数据包的优先级的规则为：应用向网络中发送的数据包越少，其数据包的优先级就越高；应用向网络中发送的数据包越多，其数据包的优先级就越低。
3.如权利要求1所述的传输控制方法，其特征在于，在定义所述数据包的优先级之后，将该优先级储存到数据包IP头部的DSCP域中。
4.如权利要求1所述的传输控制方法，其特征在于，所述调度顺序即从交换机队列出队的顺序，按照数据包优先级由高到低的顺序依次出队；所述丢包顺序即从发送方主机端网卡队列丢弃数据包的顺序，按照数据包优先级由低到高的顺序依次丢弃。
5.如权利要求1所述的传输控制方法，其特征在于，所述交换机为小缓存交换机。
6.如权利要求1所述的传输控制方法，其特征在于，所述拥塞反馈信息分为三种：1)未拥塞；2)轻度拥塞；3)重度拥塞。
7.如权利要求6所述的传输控制方法，其特征在于，未拥塞的判断依据为：发送方收到的ACK包不带ECN拥塞标志；轻度拥塞的判断依据为：①发送方收到的ACK包带ECN拥塞标志；②短流的数据包未出现超时；重度拥塞的判断依据为：①发送方收到的ACK包带ECN拥塞标志；②短流的数据包出现超时。
8.如权利要求1所述的传输控制方法，其特征在于，步骤S5具体如下：
若发送方接收到的拥塞反馈信息为未拥塞，则通过LLDCT协议来放大短流的发送窗口的大小；若发送方接收到的拥塞反馈信息为轻度拥塞，则通过LLDCT协议来缩小长流的发送窗口的大小；若发送方接收到的拥塞反馈信息为重度拥塞，则按照发送方主机端网卡队列中数据包的优先级由低到高的顺序丢弃数据包，直到网络拥塞缓解到轻度拥塞。
9.如权利要求8所述的传输控制方法，其特征在于，所述放大短流的发送窗口的大小的方式为：cwnd＝cwnd+k，其中，cwnd为应用的发送窗口大小，k为修正参数，k＞0；所述缩小长流的发送窗口的大小的方式为：cwnd＝cwnd*(1-b/2)，其中，cwnd为应用的发送窗口大小，b为修正参数，0＜b＜1。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至9任一项所述的传输控制方法。
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