CN110113425A - 一种基于rdma网卡纠删码卸载的负载均衡系统及均衡方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于RDMA网卡纠删码卸载的负载均衡系统及均衡方法，系统主要包括发送端模块、接收端模块，发送端模块和接收端模块分别与一块RDMA网卡相连，两块RDMA网卡之间由多条可用网络传输路径相连，其中，发送端模块用于将待发送数据分块，调用RDMA网卡的纠删码计算卸载功能进行纠删码计算，完成编码后，对于每个待发送数据块从若干可用路径中选择一条并发送；接收端模块用于通过RDMA网卡接收部分数据块，调用RDMA网卡的纠删码计算卸载功能对数据块进行解码，还原原始发送数据块。利用该系统可以很好地应对数据中心网络中的非对称性，尽可能地平衡数据中心网络拓扑中的流量，对提高数据中心网络对分带宽、网络利用率，降低流完成时间起到重要作用。
Description
技术领域
本发明涉及数据中心网络负载均衡的设计，具体是一种基于RDMA网卡纠删码卸载的负载均衡系统及其工作方法。
背景技术
由于应用对数据中心网络的通信需求越来越大，要求数据中心网络提供高吞吐量、低时延的支持，提供尽可能大的对分带宽。在多根树拓扑的多条路径上进行负载均衡可以实现上述要求。当前数据中心中，标准的负载均衡策略是等价多路径(Equal CostMulti-Path，ECMP)，ECMP根据数据包头的哈希结果将流分配到不同路径，因相对简便的特性而在数据中心中得到了广泛的实际部署。但是，ECMP并不是完美无缺的，它面临哈希冲突、无法适应网络拓扑的不对称性以及大小流混合的问题。
为了解决数据中心网络中使用ECMP进行负载均衡所面临的问题，目前的技术大致可以分为集中式负载均衡、基于网络的负载均衡和基于主机的负载均衡，它们有的对数据中心网络频繁波动的感知较为迟缓，有的需要特殊定制硬件的支持，有的缺乏对整个主机协议栈的控制。尽管已经有大量的工作实现了在各路径上细粒度的流量分发机制，但大多数工作的应用场景仅局限于TCP流量，几乎没有人考虑RDMA数据中心网络中的多路径传输，同时尚未有一种针对RDMA网络的良好的负载均衡系统。因此亟需研究设计RDMA网络负载均衡系统，尽可能地平衡数据中心网络拓扑中的流量，以期充分发挥RDMA的潜能。
发明内容
发明目的：为解决数据中心网络中负载均衡所面临的问题，本发明提供一种基于RDMA网卡纠删码卸载的负载均衡系统及均衡方法，该系统和方法简易、部署迅速，在数据中心网络中可快速达到较好的负载均衡效果。
技术方案；根据本发明的第一方面，提供一种基于RDMA网卡纠删码卸载的负载均衡系统，所述系统包括发送端模块、接收端模块，所述发送端模块和接收端模块分别与一块RDMA网卡相连，两块RDMA网卡之间由多条可用网络传输路径相连，其中，
所述发送端模块用于将待发送数据分块，调用RDMA网卡的纠删码计算卸载功能进行纠删码计算，完成编码后，对于每个待发送数据块从若干可用路径中选择一条并发送；
所述接收端模块用于通过RDMA网卡接收部分数据块，调用RDMA网卡的纠删码计算卸载功能对数据块进行解码，还原原始发送数据块。
优选地，所述发送端模块总是选择当前传输能力最大的路径发送当前数据块。
优选地，所述发送端模块监测各路径的出队速率，以出队速率作为判断各路径的传输能力的依据，出队速率越大，传输能力越强。
优选地，所述发送端模块和接收端模块均维护有环形buffer，分别用作数据发送、数据接收的缓冲区。
优选地，所述发送端模块通过RDMAwrite with immediate操作发送数据，将本次发送数据的内存偏移量置于立即数中。
根据本发明的第二方面，提供一种基于RDMA网卡纠删码卸载的负载均衡方法，该方法包括以下步骤：
(1)分别对发送端模块和接收端模块设置一次编码提交的数据块个数k、一次编码产生的校验块个数m、逻辑块大小block size、编码伽罗华域大小GF(2w)w；
(2)在发送端模块和接收端模块之间建立TCP连接，协商建立RDMA QP连接所需要的qpn等参数；
(3)在发送端模块和接收端模块之间建立若干对QP；
(4)发送端模块生成编码矩阵并保存，以备纠删码编码计算时使用，发送端模块通过TCP连接将该编码矩阵发送到目标接收端模块，以备目标接收端模块生成对应的解码矩阵时使用；
(5)在发送端模块和接收端模块分别注册一块内存作为收发数据时使用的环形buffer；
(6)发送端模块将待发送数据分块，调用RDMA网卡的纠删码计算卸载功能使用编码矩阵进行纠删码编码计算并等待；
(7)纠删码编码计算完毕，RDMA网卡返回校验块，拷贝待发送数据到环形buffer；
(8)发送端模块维护各路径传输能力变量，使用各路径的出队速率动态调整该变量，出队速率越大，传输能力越强，传输能力变量越大；
(9)发送端模块调用RDMAwrite with immediate操作将数据块和校验块通过RDMA网卡选择传输能力变量最大的路径发送到目标接收端模块；
(10)接收端模块接收数据块，当收到一组数据的数据块和校验块之和等于k时，删除编码矩阵中丢失的数据块/校验块对应的行，对剩下的行组成的方阵求逆矩阵，即生成解码矩阵；
(11)接收端模块调用RDMA网卡的纠删码计算卸载功能使用解码矩阵进行纠删码解码计算并等待；
(12)接收端模块纠删码编码计算完毕，RDMA网卡返回原始数据块。
有益效果：本发明提供了一套简单化、高效化的负载均衡系统及其工作方法，该系统与已有的负载均衡系统区别在于，巧妙地将RDMA网卡的纠删码卸载功能加入到负载均衡系统的设计中，可以以较小的时延代价，非常小的CPU消耗代价获得较好的负载均衡效果，妥善处理了细粒度的多路径传输时因时延导致的乱序问题。该系统使用各路径的出队速率作为信号，动态维护各路径的传输能力，总是选择传输能力最强的路径传输数据。具体有益效果表现为：
1、方法简单：通过纠删码还原数据，并不需要对丢失数据进行既复杂又耗时的重传。同时可以直接根据RDMA发送队列的qp_num迅速得出各路径的出队速率。
2、负载均衡效果好：由于系统设计轻便，并且RDMA网卡纠删码卸载功能非常高效，系统可以对网络变化作出迅速地适应并合理分配流量，因而达到较好的负载均衡效果，降低时延，提高网络吞吐量。
3、部署容易：系统没有对RDMA传输层协议作出修改，可以迅速部署于各类实际环境中。
附图说明
图1为基于RDMA网卡纠删码卸载的负载均衡系统场景结构图；
图2为图1的系统初始化流程图；
图3为图1的系统数据流图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。应当了解，以下提供的实施例仅是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的技术构思，本发明还可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。
图1是基于RDMA网卡纠删码卸载的负载均衡系统场景结构图，主要由发送端模块和接收端模块两部分组成。左侧发送端模块和右侧接收端模块分别与一块RDMA网卡相连，两块RDMA网卡之间由多条可用网络传输路径相连。该系统提供了一种细粒度的数据中心网络多路径负载均衡策略。在主机端将数据切片，利用纠删码避免多路径乱序，丢包，网络故障导致的拓扑非对称带来的影响，提高网络利用率和数据流的传输速率。系统各组成部分功能如下：
发送端模块：将待发送数据分块，调用RDMA网卡的纠删码计算卸载功能进行纠删码计算，利用现网多条发送路径的特性，动态调整各数据块的发送路径，维护编码矩阵。
接收端模块：调用RDMA网卡的纠删码计算卸载功能对数据块进行解码以还原原始发送数据块，维护编码矩阵，解码矩阵。
图2是系统初始化流程图。首先初始化系统，设置一次编码提交的数据块个数k、一次编码产生的校验块个数m、逻辑块大小block size、编码伽罗华域大小GF(2w)w。然后在发送端模块和接收端模块之间建立TCP连接，协商建立RDMAQP连接所需要的qpn等参数并建立若干(推荐k至2k，即一次编码提交的数据块个数的1至2倍)对RDMAQP作为多条传输路径。之后，发送端模块生成编码矩阵并通过TCP连接发送到目标接收端模块。最后，注册要发送数据的程序、待接收数据的环形buffer内存地址到系统内存管理单元，以获取翻译后的物理地址、本地秘钥、远程秘钥用于接下来的数据传输。
图3是系统数据流图。发送端模块和接收端模块同时开始工作，发送端模块将待发送数据分块，然后调用RDMA网卡的纠删码计算卸载功能进行纠删码计算，计算完成后再调用RDMA网卡将数据块和编码获得的校验块一起发送到目标接收端模块。接收端模块首先接收数据块，根据丢失的数据块生成解码矩阵，然后调用RDMA网卡的纠删码计算卸载功能使用解码矩阵进行纠删码解码还原原始数据块。
具体工作流程如下：
(1)初始化系统，分别对发送端模块和接收端模块设置一次编码提交的数据块个数k、一次编码产生的校验块个数m、逻辑块大小block size、编码伽罗华域大小GF(2w)w。
(2)在发送端模块和接收端模块之间建立TCP连接，协商建立RDMAQP连接所需要的qpn等参数。
(3)在发送端模块和接收端模块之间建立若干(推荐k至2k)对QP。通过建立了包含冗余的多对RDMA QP，可以在接下来的路径选择时更有效地选取到传输能力强的路径，从而优化负载均衡效果。
(4)发送端模块生成编码矩阵并保存，以备纠删码编码计算时使用。发送端模块通过TCP连接将该编码矩阵发送到目标接收端模块，以备目标接收端模块生成对应的解码矩阵时使用。
(5)在发送端模块和接收端模块分别注册一块内存作为收发数据时使用的环形buffer。通过在发送端模块、接收端模块分别增加了一个环形buffer作为收发缓冲区，作为存储发送、接收数据存储之用，这样只需要在系统初始化时注册一次内存，就可以为多次数据传输使用，避免了反复注册、释放内存时巨大的计算、存储资源开销。
(6)发送端模块将待发送数据分块，调用RDMA网卡的纠删码计算卸载功能使用编码矩阵进行纠删码编码计算并等待。
(7)纠删码编码计算完毕，RDMA网卡返回校验块，拷贝待发送数据到环形buffer。
(8)发送端模块维护各路径传输能力变量，使用各路径的出队速率动态调整该变量，出队速率越大，传输能力越强，传输能力变量越大。
(9)发送端模块调用RDMAwrite with immediate操作将数据块和校验块通过RDMA网卡选择传输能力变量最大的路径发送到目标接收端模块。
路径的选择方法利用了RoCEv2中每对QP的UDP目的端口号是固定值而源端口号是随机生成的的特性。一般情况下，在系统初始化时创建的若干对QP会拥有不同的源端口号。因此，数据中心网络中的ECMP在对包括源端口号在内的流的五元组进行哈希后，不同QP将被映射到不同的路径上。理论上，16位的源端口号可以支持216条路径的标识。
本发明使用RDMA write with immediate操作发送数据，即额外增加了一个立即数的传输，巧妙地将本次发送数据的内存偏移量置于该立即数中。接收端模块可以根据该立即数直接将接收到的数据放置于正确的内存地址，显著简化了接收端模块设计逻辑。
(10)接收端模块接收数据块，当收到一组数据的数据块和校验块之和等于k时，删除编码矩阵中丢失的数据块/校验块对应的行，对剩下的行组成的方阵求逆矩阵，即生成解码矩阵。
(11)接收端模块调用RDMA网卡的纠删码计算卸载功能使用解码矩阵进行纠删码解码计算并等待。
(12)接收端模块纠删码编码计算完毕，RDMA网卡返回原始数据块。
Claims (5)
1.一种基于RDMA网卡纠删码卸载的负载均衡系统，其特征在于，所述系统包括发送端模块、接收端模块，所述发送端模块和接收端模块分别与一块RDMA网卡相连，两块RDMA网卡之间由多条可用网络传输路径相连，其中，
所述发送端模块用于将待发送数据分块，调用RDMA网卡的纠删码计算卸载功能进行纠删码计算，完成编码后，对于每个待发送数据块从若干可用路径中选择一条并发送；
所述接收端模块用于通过RDMA网卡接收部分数据块，调用RDMA网卡的纠删码计算卸载功能对数据块进行解码，还原原始发送数据块。
2.根据权利要求1所述的基于RDMA网卡纠删码卸载的负载均衡系统，其特征在于，所述发送端模块总是选择当前传输能力最大的路径发送当前数据块。
3.根据权利要求2所述的基于RDMA网卡纠删码卸载的负载均衡系统，其特征在于，所述发送端模块监测各路径的出队速率，以出队速率作为判断各路径的传输能力的依据，出队速率越大，传输能力越强。
4.根据权利要求1所述的基于RDMA网卡纠删码卸载的负载均衡系统，其特征在于，所述发送端模块通过RDMA write with immediate操作发送数据，将本次发送数据的内存偏移量置于立即数中。
5.一种基于RDMA网卡纠删码卸载的负载均衡方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)分别对发送端模块和接收端模块设置一次编码提交的数据块个数k、一次编码产生的校验块个数m、逻辑块大小block size、编码伽罗华域大小GF(2w)w；
(2)在发送端模块和接收端模块之间建立TCP连接，协商建立RDMA QP连接所需要的参数；
(3)在发送端模块和接收端模块之间建立若干QP；
(4)发送端模块生成编码矩阵并保存，以备纠删码编码计算时使用，发送端模块通过TCP连接将该编码矩阵发送到目标接收端模块，以备目标接收端模块生成对应的解码矩阵时使用；
(5)在发送端模块和接收端模块分别注册一块内存作为收发数据时使用的环形buffer；
(6)发送端模块将待发送数据分块，调用RDMA网卡的纠删码计算卸载功能使用编码矩阵进行纠删码编码计算并等待；
(7)纠删码编码计算完毕，RDMA网卡返回校验块，拷贝待发送数据到环形buffer；
(8)发送端模块维护各路径传输能力变量，使用各路径的出队速率动态调整该变量，出队速率越大，传输能力越强，传输能力变量越大；
(9)发送端模块调用RDMA write with immediate操作将数据块和校验块通过RDMA网卡选择传输能力变量最大的路径发送到目标接收端模块；
(10)接收端模块接收数据块，当收到一组数据的数据块和校验块之和等于k时，删除编码矩阵中丢失的数据块/校验块对应的行，对剩下的行组成的方阵求逆矩阵，即生成解码矩阵；
(11)接收端模块调用RDMA网卡的纠删码计算卸载功能使用解码矩阵进行纠删码解码计算并等待；
(12)接收端模块纠删码编码计算完毕，RDMA网卡返回原始数据块。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190809 |