CN110808884A

CN110808884A - 一种网络拥塞控制方法

Info

Publication number: CN110808884A
Application number: CN201911145039.1A
Authority: CN
Inventors: 董德尊; 魏子昊; 肖立权; 庞征斌; 齐星云; 刘路; 徐佳庆
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2019-11-20
Filing date: 2019-11-20
Publication date: 2020-02-18
Anticipated expiration: 2039-11-20
Also published as: CN110808884B

Abstract

本发明提供了一种基于ECN和信用预约收敛的网络拥塞控制方法，在接收端，在传输数据流过程中，重复以下步骤：当网络拥塞率未达到网络拥塞阈值时，增加信用传输速率，否则，降低信用传输速率；继续判断信用丢失值与信用丢失阈值的大小，如果所述信用丢失值小于所述丢失阈值，增加信用传输速率，否则，降低信用传输速率；在交换机侧，设置队列长度阈值；如果队列长度超过阈值，则在数据包到达后立即进行标记；否则，不对所述数据包进行标记。本发明利用前向显式拥塞通知来传递实时拥塞信息并重新定义反馈控制。经过评估，结果表明本发明有效地解决了不公平的链路分配问题，即使工作负载为0.6，也不会导致缓冲区溢出，从而在很大程度上消除了超时问题。

Description

一种网络拥塞控制方法

技术领域

本发明涉及网络通信领域，特别涉及一种基于ECN和信用预约收敛的网络拥塞控制方法。

背景技术

DCTCP在过去十年中发挥了重要作用，因为它实现了高吞吐量，同时又保证了10Gbps以下链路带宽DCN的低缓冲区占用。到目前为止，许多数据中心仍在部署DCTCP，以防止网络在繁重和突发流量情况下崩溃。来自Google的Arjun等声明宣称它们使用DCTCP并在交换机上启用ECN并根据ECN信号修改主机协议栈，此外一些文献还将DCTCP视为在DCN中部署的最有希望的技术之一。但是，由于缓冲的商用交换机的深度较浅以及链接速度的提高(从10Gbps到100Gbps)，为每Gbps链路速度提供的缓冲区大小正在减小。由于反应型方案的响应速度较慢，DCTCP导致带宽占用率高和不公平。这使DCTCP陷入困境。此外，实验结果表明，当存在大量并发流时，DCTCP无法有效地处理多对一问题，并且瞬时队列长度远大于最大队列容量。所以，ExpressPass等基于信用预约的拥塞控制协议尚未部署在DCN中。要在实际的DCN中增量部署，必须对ExpressPass进行改进，使其与已经普遍部署的DCTCP共存。

突发流量和成千上万的并发流量会在DCN中造成不可避免的拥塞，进而影响整体性能。数据中心领域开发了各种各样的传输协议来减轻网络拥塞，包括反应性和前瞻性协议。当前的DCN普遍采用在拥塞发生后进行拥塞控制的反应性方案。然而，随着规模的扩大和链路速度的增长，诸如DCTCP之类的反应式方案遇到了对拥塞响应缓慢的重大问题。相反，主动协议被设计为避免拥塞，并且它们具有无损传输，快速收敛和低缓冲区占用的优点(例如，信用保留协议)。但是实际的部署方案中，很难保证在每个服务器上一次部署一个协议。将信用保留协议逐步部署到DCN时，网络将转换为多协议状态，并面临以下基本挑战：(1)链路带宽分配不公平；(2)高缓冲区占用；(3)重尾部延迟。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于ECN和信用预约收敛的网络拥塞控制方法，应用于接收侧，在传输数据流过程中，重复以下步骤：

当网络拥塞率未达到网络拥塞阈值时，增加信用传输速率，否则，降低信用传输速率；

继续判断信用丢失值与信用丢失阈值的大小，如果所述信用丢失值小于所述丢失阈值，增加信用传输速率，否则，降低信用传输速率；

进一步，所述当网络拥塞率未达到网络拥塞阈值时，增加信用传输速率，还包括：

判断模式转换标记值与模式转换阈值大小，如果所述模式转换标记值小于所述模式转换阈值，则进入少量发送信用模式，否则，进入过量发送信用模式。

进一步，所述进入少量发送信用模式后，增加信用传输速率使网络拥塞率逐渐接近网络拥塞阈值，同时转换标记值加1。

进一步，所述进入过量发送信用模式后还采用基于信用反馈的数据流传输。

优选的，所述增加信用传输速率后，缓慢减小当前网络传输速率。

进一步，所述降低信用传输速率后，缓慢增加当前网络传输速率。

本发明还提供一种网络拥塞控制方法，应用于交换机侧，设置队列长度阈值K；如果队列长度超过阈值K，则在数据包到达后立即进行标记；否则，不对所述数据包进行标记。

本发明利用前向显式拥塞通知(FECN)来传递实时拥塞信息并重新定义反馈控制。经过评估，结果表明本发明有效地解决了不公平的链路分配问题。此外，即使工作负载为0.6，也不会导致缓冲区溢出，从而在很大程度上消除了超时问题。

附图说明

图1为本发明应用于接收侧的方法流程图；

图2为本发明应用于交换机侧的方法流程图。

具体实施方式

下面将详细描述本说明书的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本说明书的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本说明书进行进一步详细描述。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。

结合图1，本发明实施例提供了一种网络拥塞控制方法，其步骤如下：

在传输数据流过程中，重复以下步骤：

根据被标记的数据包数量判断网络是否达到拥塞，当网络拥塞率未达到网络拥塞阈值时，增加信用传输速率，否则，降低信用传输速率；

所述当网络拥塞率未达到网络拥塞阈值时，增加信用传输速率，还包括：

判断模式转换标记值与模式转换阈值大小，如果所述模式转换标记值小于所述模式转换阈值，则进入少量发送信用模式，否则，进入过量发送信用模式。其中，进入少量发送信用模式后，增加信用传输速率使网络拥塞率逐渐接近网络拥塞阈值，同时转换标记值加1。进入过量发送信用模式后还采用基于信用反馈的数据流传输。

其中，增加信用传输速率后，缓慢减小当前网络传输速率；所述降低信用传输速率后，缓慢增加当前网络传输速率。

通过为基于信用预约的协议选择适当的拥塞信号，同时选择FECN来传递拥塞信息。此外，EC⁴根据商品数据中心支持的功能修改交换机和主机。在效率和准确性之间取得平衡之后，我们放弃了其他选择，并继承了交换机上ExpressPass的独立队列以限制信用。此外，一旦缓冲区队列超过固定阈值，我们就会在交换机上使用单阈值标记方案来标记带有ECN标签的数据包。接收方通过将信用丢失率两个因素来作出反应，一个取决于标记数据包的比例，另一个取决于信用损失率。

必须注意，反馈控制法本身不是关键的贡献。它是将CE codepoint(数据队列)和信用损失率(信用队列)提供的多重拥塞信息结合在一起的结果。而其他反馈控制获得的信息不完整(反应性拥塞控制获得实时拥塞信息，而主动方案则获得理论上的链路容量)。但是，基于ECN的反馈控制充分利用了两种信息，从而取得了巨大的成功。具体涉及如下：

实施例2：

参见附图2所示，交换机端上设计方法如下：

设置队列长度阈值K；如果队列长度超过阈值K，则在数据包到达后立即进行标记；否则，不对所述数据包进行标记。

交换机上链路带宽的分配：与ExpressPass相比，信用数据包大小和交换机上独立队列的设计没有差异。～84B以太网帧(最小尺寸)的信用数据包触发发送方发送最多～1538B大小的以太网帧(最大尺寸)。因此，链路容量的5％用于信用率限制，剩余链路容量的95％用于数据包转发。尽管在多协议网络中未充分利用信用通道，但交换机和主机网卡的设计保持不变。我们还考虑了动态调整独立队列的大小，但是以下原因搁置了这个想法：DCN的流量正在迅速变化。当然，我们可以引入深度强化学习来分析一段时间内的协议组成，但是高开销只会带来很有限的好处(数据包转发的带宽小幅度提升)，这与修改最小化原则背道而驰。尽管EC⁴是为在增量部署期间进行优化而设计的，但是对于网络运营商来说，长期保持在多协议状态是不希望看到的。随着EC⁴部署的增长，动态的独立队列将变得毫无意义。

在交换机标记：在设置商用交换机的阈值时，我们使用瞬时队列长度作为拥塞度量标准来标记数据包。如果队列长度超过阈值K，则在数据包到达后立即由交换机用CEcodepoint标记；否则，它不会被标记。这样做可以使接收器快速检测到交换机上的拥塞。

在接受方控制：基于信用的拥塞控制与其他拥塞控制之间存在显着差异，其中基于信用的拥塞控制的反应位置位于接收方。在接收方控制为我们提供了极大的便利，因为我们可以准确地确认数据包是否标记有CE codepoint。与使用ACK通知发送方削减拥塞窗口(CWnd)相比，降低接收方的信用发送速率可以减少链路的负载。

本实施例着重于两个问题：1.如何快速检测拥塞；2.如何处理我们获得的两种拥塞信息之间的关系。

首先，我们需要保护信用预留协议的良好性能。当网络环境中的其他流量很少或没有其他流量时，可以以较高的传输速率发送信用，以实现较高的收敛性。为此，我们设计了HIGH模式。在最初的几个RTT中，仍然使流量趋向于以链路容量发送数据包，因为少有的流量会引起排队。而在几个RTT之后，如果没有收到标记有CE codepoint的数据包，则接受方控制器可以认为网络中的其他流量很少，进入HIGH模式，并采取更具侵略性的方法。

这里我们在容易丢包和收敛之间进行权衡。在确定网络环境之前，接收端按照本实施例的方式高速发送信用时，很容易造成数据包丢失。我们可以设计使用慢启动技术发送数据包的阶段，这会牺牲ExpressPass的收敛性。我们以较高的比率发送信用额的原因如下。

交互式，实时工作负载，例如在搜索引擎，社交网络和网上商城中得到的工作负载，会在数据中心内生成大量小尺寸的请求和响应，然后将这些请求和响应耦合在一起以执行用户要求的计算。对于这些小流量，仅传输一个RTT就足以传输，如果以低速启动，则可能导致带宽浪费。通过高速率启动，我们可以快速检测网络中是否还有其他流量。当DCN中的其他流量很少时，可以确保信用保留协议的快速收敛。

此外，当网络中还有其他流量时，某些数据包将被快速标记，并且LOW模式将被触发。通过增加和减少阶段，ECN_ratio递归收敛到target_ECN_ratio。

最后，我们也愿意充分利用单独的信用队列提供的理论链接容量信息。我们设计了基于信用的增加和减少阶段的变种版本。ω会在较小的ω_min和ω_mid之间浮动，并且可以实现快速降低和缓慢的自增长，适用于多协议网络。

基于此，我们设计了基于ECN的反馈控件。具体算法如下算法所示。通过此算法，当本实施例所述方法增量部署在DCN中时，它将公平地分配瓶颈链路带宽，以使其不会成为“鲁莽”流量并破坏其他流量；当部署在大量DCN中时，可以通过HIGH模式保证较高的收敛性和信用预约协议的有界队列长度的优势。

其中：

ECN_a：一段时间内被标记数据包加权比例；

W：侵略性因子；

cur_rate：当前速率；

g：权重系数；

tmp_rate：算完第一部分得到的中间值。

上述算法的参数选择具体如下：

首先，选择适当的mode_threshold以在准确性和收敛性之间进行权衡。但是，通过实验发现，基于信用的流量最初是以最大链路容量注入的。如果网络中还有其他流量，则缓冲区将很快超过阈值。因此，如果在四个或更少的RTT中，控制器未收到标记的数据包，则可以认为网络中没有其他流量。在我们的实验中，mode_threshold选择为3。

其次，为了与其他基于ECN的协议保持同步，应选择K和g与目标阈值同步。DCTCP已经证明，如果我们使用C来指示链接容量，则应确保如下公式中所示的阈值K和参数g的参数范围。但是，在选择时必须在实践中考虑突发事件

K的值。对于10Gbps以太网，K＝20个数据包可以满足公式，但我们知道突发流量有很多因素(例如，架构细节，不平衡负载和中断调节)。此外，EC⁴倾向以链路容量投入数据包。我们在负载为0.6的Data Mining工作负载下观察到超过10Gbps的速度，发现它比我们在多协议环境中所想的还要糟糕。我们注意到某些瞬变达到100个以上的数据包。我们将K设置为100MTU(146.5KB)，以平衡吞吐量和延迟。在我们的实验中，g设置为1/16。

第三，对于基于信用的增减部分的变种算法，应重新调整较低的target_loss(仅对于变体版本)，为在早期部署EC⁴阶段降低信用发送。为了适应当前的多协议网络环境，我们目前选择0作为target_loss。

第四，当前的target_ECN_ratio在当前的浅缓冲开关环境中应为0。这将确保平均队列长度在K左右。但是，我们通过定义target_ECN_ratio提供了一个接口，以改善DCN的向前兼容性。我们可以通过修改主机上的参数来控制交换机缓冲区的使用，而无需修改交换机上的阈值。

如果将理论缓冲区占用率值表示为L，则不难得出L与target_ECN_ratio之间的关系。如下公式表示：

转换公式形式，我们得到：

另外，对于EC⁴，侵略因子ω的选择尤为重要。EC⁴并不总是利用所有带宽，因此在大多数情况下，credit_loss小于target_loss，这意味着ω越来越接近ωmid多协议网络。为了使EC⁴减少其对此类DCN的过度占用，我们选择较小的ωmid。在EC⁴和DCTCP之间进行并行流实验之后，发现ωmid应该为0.04-0.06以确保公平。下一部分将继续对ωmid的范围进行特定的评估。在这里，ωmid设置为0.05。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims

1.一种网络拥塞控制方法，应用于接收侧，其特征在于：

在传输数据流过程中，重复以下步骤：

继续判断信用丢失值与信用丢失阈值的大小，如果所述信用丢失值小于所述丢失阈值，增加信用传输速率，否则，降低信用传输速率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

所述进入少量发送信用模式后，增加信用传输速率使网络拥塞率逐渐接近网络拥塞阈值，同时转换标记值加1。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

所述进入过量发送信用模式后还采用基于信用反馈的数据流传输。

5.根据权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于：

所述增加信用传输速率后，缓慢减小当前网络传输速率。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：

所述降低信用传输速率后，缓慢增加当前网络传输速率。

7.一种网络拥塞控制方法，应用于交换机侧，其特征在于：

设置队列长度阈值K；

如果队列长度超过阈值K，则在数据包到达后立即进行标记；否则，不对所述数据包进行标记。