CN111416777A - 一种基于路径延时探测的负载均衡方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于路径延时探测的负载均衡方法及系统，所述方法中，源Leaf交换机基于各数据包从其各出端口转发至目的Leaf交换机的端到端的延时，得到其各出端口至目的Leaf交换机的各条路径的延时；若各条路径的延时差异较小，则源Leaf交换机基于流表确定转发当前数据包的出端口，从该出端口转发当前数据包；否则，基于记录的每条流的速率，将延时大的路径上速率小的流重路由到延时小的路径上，更新流表中相应流的转发出端口，再基于流表确定转发当前数据包的出端口，从该出端口转发当前数据包，由此实现负载均衡。本发明提升了网络传输效率和网络的整体性能。

Description

一种基于路径延时探测的负载均衡方法及系统
技术领域
本发明涉及数据中心网络(DCN，Data Center Network)一种基于路径延时探测的负载均衡方法及系统。
背景技术
在现代数据中心中，由于负载均衡策略选取不恰当，负载较重的链路极易引发链路拥塞，从而增加路径延迟。此外，由于链路故障、不同路径流量分布不均匀等原因，导致传输路径延迟存在差异。
目前数据中心网络中普遍使用的负载均衡方法是等价多路径路由策略(Equal-Cost Multipath Routing，ECMP)。ECMP是目前多路径拓扑下应用最为广泛的路由策略，不需要获取网络信息和拓扑信息。ECMP利用包头的五元组信息将同一条流的数据包哈希到同一条路径上。但ECMP存在很明显的问题：首先，由于使用哈希方式进行随机选路，流量在路径之间的分布不均匀，多条长流哈希到同一条路径上容易造成拥堵。其次，被分配了路径的数据流在其生命周期内无法更改其传输路径，缺乏灵活性。
随机包散射RPS(Random Packet Spraying)打破了数据流的限制，采取以数据包为单位进行传输的策略。随机包散射能够充分的利用所有的等价路径，但是数据中心网络中存在很多不确定因素，例如动态性很强的流量，设备的异构性，链路故障和交换机故障等。这些不确定因素极易使得对称网络演变成非对称拓扑。而在非对称拓扑中，随机包散射存这种基于包粒度的负载均衡机制容易存在严重的数据包乱序问题，带来大量的重复ACK。这可能导致发送端将窗口减半，使得发送速率降低。这样会降低链路的利用率从而增加了流的完成时间，降低网络的性能。
DRILL采取包粒度的负载均衡方法对每个数据包进行路由选择。在上一轮最好的路径和本轮随机选择的两条路径中选择最好的路径。DRILL使用本地的拥塞信息进行快速负载均衡，但是使用本地信息只考虑到本地交换机队列长度，不能知晓全局的拥塞信息。
因此，如何解决上述技术问题是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明所解决的技术问题，提供了一种基于路径延时探测的负载均衡方法及系统，基于全局的拥塞信息(路径延迟差异)选取合适的路径转发数据，提升了网络传输效率和网络的整体性能。
本发明所提供的技术方案为：
一方面，提供一种基于路径延时探测的负载均衡方法，源Leaf交换机基于各数据包从其各出端口转发至目的Leaf交换机的端到端的延时，得到其各出端口至目的Leaf交换机的各条路径的延时；若各条路径的延时差异较小，则源Leaf交换机基于流表确定转发当前数据包的出端口(流表中记录有流号和流的转发出端口，将流表中记录的当前数据包所属流的转发出端口作为转发当前数据包的出端口)，从该出端口转发当前数据包；否则，基于记录的每条流的速率，将延时大的路径上速率小的流重路由到延时小的路径上，更新流表中相应流的转发出端口，再基于流表确定转发当前数据包的出端口，从该出端口转发当前数据包，由此实现负载均衡。
进一步地，源Leaf交换机设置延时探测定时器；若延时探测定时器计时超过设定阈值，则进行一轮延时探测，即依据当前数据包的到达时间，进行哈希计算，得到转发该数据包的出端口号，并在该数据包的包头写入出端口号以及当前时间T1，然后从相应的出端口转发该数据包，并重置延时探测定时器；收到该数据包对应的ACK包后，基于接收端在ACK包的包头记录的目的Leaf交换机接收到该数据包的当前时间T2与T1的时间差ΔT，确定转发该数据包的出端口至目的Leaf交换机的路径的延时。
进一步地，所述数据包为基于IPv6的数据包；
在延时探测过程中：
源Leaf交换机在当前数据包头中的Flow label字段写入转发该数据包的出端口号，在时间戳字段写入当前时间T1；
目的Leaf交换机接收到该数据包后，先读取数据包头中的时间戳字段T1，然后将收到该数据包的当前时间T2与T1相减得到时间差ΔT，再将时间差ΔT写入该数据包头中的时间戳字段中，然后转发该数据包至接收端；
接收端接收到该数据包后，先在该数据包对应的ACK包头中写入该数据包头中的Flow label字段和时间戳字段的内容，然后发送ACK包给源Leaf交换机；
源Leaf交换机收到该数据包对应的ACK包后，基于ACK包头中Flow label字段确定该转发该数据包的出端口，将ACK包头中时间戳字段记录的时间差ΔT作为转发该数据包的出端口至目的Leaf交换机的路径的延时。
随着Internet规模指数级增长，已广泛使用的IPv4协议出现了地址空间有限、协议过于复杂、区分服务粒度过大等问题，由IPv4向IPv6过渡已成必然。IPv6协议很好的解决了以上问题并增加了新的特性，它具有更大的地址空间而且更加灵活和高效，非常适用于高带宽和低延迟的数据中心网络。IPv6协议下包头中的Flow label字段(流标签字段)可携带负载信息，上述技术方案利用了IPv6协议的负载信息携带能力，设计了显式反馈机制以较小的代价感知拥塞(路径延迟)，并据此对负载均衡策略进行优化，可提升网络传输效率和网络的整体性能。
进一步地，源Leaf交换机设置速率测量定时器；基于速率测量定时器，按一定周期更新记录的每条流的速率(流的速率基于一定周期内流所发送的数据量计算得到)。
或者，基于速率测量定时器，按固定周期更新记录的每条流的速率。
进一步地，若各条路径的延时差异较大，则基于记录的每条流的速率，将延时最大的路径上速率最小的流重路由到延时最小的路径上。
另一方面，提供一种基于路径延时探测的负载均衡系统，包括源Leaf交换机，其采用上述的方法实现负载均衡。
另一方面，提供一种基于路径延时探测的负载均衡系统，包括源Leaf交换机、目的Leaf交换机和接收端，采用上述的方法实现负载均衡。
本发明上述技术方案提供了一种流控技术，基于全局的拥塞信息(路径延迟差异)选取合适的路径转发数据，将数据流分发到多条路径上进行传输，实现交换机之间的信息共享，平衡了各条路径的流量，提高了链路利用率，减少了拥塞，具有灵活性，并避免了包乱序问题，提高了传输效率，减少了流的完成时间，提升了网络的整体性能，能为用户提供高效可靠的传输服务。
附图说明
图1为本发明实施例的流程图；其中图1(a)～1(c)分别为源Leaf交换机、接收端和目的Leaf交换机
图2为测试本发明实施例性能的Leaf-Spine拓扑图。
图3为本发明实施例和其他方法在模拟测试环境中，测试不同方法在非对称拓扑下的总链路利用率，其中本发明实施例命名为ELB(显式反馈负载均衡机制)。
图4为本发明实施例和其他方法在模拟测试环境中，测试不同方法在非对称拓扑下的平均流完成时间，其中本发明实施例命名为ELB。
图5为本发明实施例和其他方法在模拟测试环境中，在非对称拓扑下各路径链路利用率对比图，分别测量了ECMP、RPS、DRILL、ELB的链路利用率。图5(a)测试了ECMP在非对称拓扑下各路径链路利用率。图5(b)测试了RPS在非对称拓扑下各路径链路利用率。图5(c)测试了DRILL在非对称拓扑下各路径链路利用率。图5(d)测试了ELB在非对称拓扑下各路径链路利用率。
图6为本发明实施例和其他方法在模拟测试环境中，测试Web search应用模式下的流完成时间的结果图，其中本发明实施例命名为ELB。图6(a)测试了各机制在Web search应用模式下的平均流完成时间。图6(b)测试了各机制在Web search应用模式下的短流平均完成时间。图6(c)测试了各机制在Web search应用模式下的短流99分位数平均完成时间。图6(d)测试了各机制在Web search应用模式下的长流平均完成时间。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
实施例1：
本发明实施例提供了一种基于路径延时探测的负载均衡方法及系统，参见图1，为本发明实施例的流程图，描述了本发明实施例所涉及的源Leaf交换机、目的Leaf交换机和接收端三个部分的处理过程。其过程如下：
首先初始化交换机记录的流表、速率测量定时器超时阈值t1、延时探测定时器超时阈值t2、路径延时差异阈值K；各参数的初始值根据经验设置，本实施例中，将速率测量定时器超时阈值t1设置为100μs，将延时探测定时器超时阈值t2设置为100μs，将路径延时差异阈值K设置为10；
然后三种不同的操作主体：源Leaf交换机、接收端和目的Leaf交换机分别采用以下步骤进行操作：
目的Leaf交换机：
步骤1-1：接收数据分组；
步骤1-2：读取数据包头中的时间戳字段T1；
步骤1-3：将收到数据包的当前时间T2与T1相减得到时间差ΔT；
步骤1-4：将时间差ΔT写入数据包头中的时间戳字段中；
步骤1-5：转发数据分组；
接收端：
步骤2-1：接收数据分组；
步骤2-2：读取数据包头中Flow label字段及时间戳字段的内容；
步骤2-3：在此数据包对应的ACK包头中写入此数据包头中的Flow label字段和时间戳字段内容；
步骤2-4：发送ACK包给源Leaf交换机；
源Leaf交换机：
步骤3-1：接收分组(为ACK包或数据包)；
步骤3-2：判断当前分组类型，若为ACK包则转至步骤3-3；否则转至步骤3-5；
步骤3-3：读取ACK包头中Flow label字段和时间戳字段信息；
步骤3-4：基于读取的ACK包头中Flow label字段确定传输该ACK包对应的数据包的路径，即确定该ACK包对应的数据包是从源Leaf交换机的哪个出端口转发至目的Leaf交换机，将ACK包头中时间戳字段记录的时间差ΔT作为相应路径的延时，转至步骤3-14；
步骤3-5：判断延时探测定时器计时是否超过设定阈值t2，若是则转至步骤3-6；否则转至步骤3-8；
步骤3-6：依据数据包的到达时间与出端口号的哈希函数映射关系，将当前数据包的到达时间映射得到转发当前数据包的出端口号；本步骤依据当前数据包的到达时间进行哈希计算，可以在很短的时间内将所有出端口对应的路径延时全部探测得到；
步骤3-7：在当前数据包头中Flow label字段写入出端口号，时间戳字段写入当前时间T1，并重置延时探测定时器(将其计时清零重新开始计时)，转至步骤3-14；
步骤3-8：对于源Leaf交换机所有出端口对应的路径，计算各路径两两之间的延时差异，判断最大延时差异是否大于阈值K，若是，则转至步骤3-10；否则，转至步骤3-9；
步骤3-9：从流表中读取当前数据包所属流的转发出端口，转至步骤3-14；
步骤3-10：依据交换机中记录的每条流的速率，将延时最大的路径上的速率最小的流重路由到延时最小的路径上；
步骤3-11：更新流表中当前流的转发出端口；
步骤3-12：转发分组。
源Leaf交换机设置有速率测量定时器，在按上述步骤进行操作的同时，基于速率测量定时器，按一定周期更新记录的每条流的速率(流的速率基于一定周期内流所发送的数据量计算得到)，即若速率测量定时器计时等于设定阈值t1，则重置速率测量定时器，并更新交换机中记录的每条流的速率。
实施例2：
本实施例提供一种基于路径延时探测的负载均衡系统，包括源Leaf交换机，其采用上述实施例1中的方法实现负载均衡。
实施例3：
本实施例一种基于路径延时探测的负载均衡系统，包括源Leaf交换机、目的Leaf交换机和接收端，其采用上述实施例1中的方法实现负载均衡。
性能测试
本部分利用NS2.35网络仿真平台来实现，并进行了性能测试。NS2.35是NS2的版本之一，互联网上公开发布的网址为：http://www.isi.edu/nsnam/ns。
图2为测试场景Leaf-Spine拓扑图。多台服务器连接至Leaf交换机并发送数据流。交换机的缓存大小设置为100个分组。链路带宽设置为1Gbps。
图3为本发明和其他方法在模拟测试环境中，测试不同方法在非对称拓扑下的链路利用率。实验拓扑如图2所示，取2个Leaf交换机和3个Spine交换机形成3条等价路径。设置2条正常路径(好路径)与1条异常路径(坏路径)。正常路径传播延时RTT设置为100μs，异常路径传播延时RTT与正常路径传播延时RTT的比值从1.7增加至2.0，即设置为170μs、180μs、190μs、200μs。每台服务器发送数条大小为5000个数据包的数据流。现比较ECMP、RPS、DRILL、ELB四种机制下的链路利用率。
可以看到图3中，ECMP的链路利用率随着好路径与坏路径的比值的增大均不到50％，RPS的链路利用率随着好路径与坏路径延时的比值的增大从84％降至70％以下，这是其受非对称拓扑影响较大所导致的。由于DRILL仅知晓本地路径信息，所以其的链路利用率随着好路径与坏路径延时的比值的增大也降至70％左右，ELB的链路利用率随着好路径与坏路径延时的比值的增大始终维持在90％以上，并未有较大的波动。同时ELB的链路利用率也始终比ECMP、RPS和DRILL要高。这说明ELB可以有效提升非对称拓扑下的数据传输效率。
图4为本发明和其他方法在模拟测试环境中，测试不同方法在非对称拓扑下的平均流完成时间。实验设置与图3中设置相同。现比较ECMP、RPS、DRILL、ELB四种机制下的平均流完成时间(AFCT)。
可以看到图4中，随着好路径与坏路径延时的比值的增大，ECMP的AFCT始终维持在一个很高的值，RPS和DRILL的AFCT也在不断上升达到较长的AFCT，ELB的AFCT也在不断增加，但始终在一个较低的值，与ECMP、RPS、DRILL相比分别降低了30～36％、20～30％、11～26％的AFCT。
图5为本发明和其他方法在模拟测试环境中，在非对称拓扑下各路径链路利用率对比图。实验设置与图3中设置相同。现比较ECMP、RPS、DRILL、ELB(显式反馈负载均衡机制)四种机制下各条路径的链路利用率。
可以看到图5(a)中由于哈希碰撞十分严重，在ECMP机制下有一条路径的链路利用率几乎为0，导致平均链路利用率很低。在图5(b)和图5(c)中，RPS和DRILL的各路径的链路利用率均比ECMP高，但随着好路径与坏路径延时的比值增大，链路利用率有明显的下降，均降至70％以下。而图5(d)中，随着好路径与坏路径的比值的增大，ELB的各条路径链路利用率始终维持在较高的值，均在90％以上。
图6为本发明和其他方法在模拟测试环境中，测试Web search应用模式下的流完成时间的结果图，设置2条正常路径(好路径)与1条异常路径(坏路径)。正常路径传播延时RTT设置为100μs，异常路径传播延时RTT与正常路径传播延时RTT的比值取1.6。在实验过程中，我们逐渐增加网络负载测试各项指标。在统计时，数据量小于或等于100KB的流称为短流，而大于1MB的流称为长流。
可以看到在图6(a)中，随着负载的增加，ECMP哈希碰撞带来的影响越来越大，流平均完成时间越来越大。RPS、DRILL、ELB随着负载的增加流完成时间也在增加，但整体上ELB均比其他协议降低了10％～15％。在图6(b)和图6(c)中，短流基本整体上也呈现出ELB完成时间最短、DRILL次之，ECMP完成时间最长的趋势。在图6(d)中，对于长流来说，由于哈希碰撞ECMP在高负载情况下也出现完成时间较大的情况，RPS由于是以包级别粒度进行决策，完成时间相对于DRILL和ELB也较长；DRILL利用了本地队列信息，但并未知晓全局路径状态，所以完成时间相对于ELB也较长。ELB统计了源Leaf交换机和目的Leaf交换机之间的传输时间，获取了全局路径状态，及时做出准确的负载均衡策略，达到了最优的效果。

Claims (7)

1.一种基于路径延时探测的负载均衡方法，其特征在于，源Leaf交换机基于各数据包从其各出端口转发至目的Leaf交换机的端到端的延时，得到其各出端口至目的Leaf交换机的各条路径的延时；若各条路径的延时差异较小，则源Leaf交换机基于流表确定转发当前数据包的出端口，从该出端口转发当前数据包；否则，基于记录的每条流的速率，将延时大的路径上速率小的流重路由到延时小的路径上，更新流表中相应流的转发出端口，再基于流表确定转发当前数据包的出端口，从该出端口转发当前数据包，由此实现负载均衡。
2.根据权利要求1所述的基于路径延时探测的负载均衡方法，其特征在于，源Leaf交换机设置延时探测定时器；若延时探测定时器计时超过设定阈值，则进行一轮延时探测，即依据当前数据包的到达时间，进行哈希计算，得到转发该数据包的出端口号，并在该数据包的包头写入出端口号以及当前时间T1，然后从相应的出端口转发该数据包，并重置延时探测定时器；收到该数据包对应的ACK包后，基于接收端在ACK包的包头记录的目的Leaf交换机接收到该数据包的当前时间T2与T1的时间差ΔT，确定转发该数据包的出端口至目的Leaf交换机的路径的延时。
3.根据权利要求2所述的基于路径延时探测的负载均衡方法，其特征在于，所述数据包为基于IPv6的数据包；
在延时探测过程中：
源Leaf交换机在当前数据包头中的Flow label字段写入转发该数据包的出端口号，在时间戳字段写入当前时间T1；
目的Leaf交换机接收到该数据包后，先读取数据包头中的时间戳字段T1，然后将收到该数据包的当前时间T2与T1相减得到时间差ΔT，再将时间差ΔT写入该数据包头中的时间戳字段中，然后转发该数据包至接收端；
接收端接收到该数据包后，先在该数据包对应的ACK包头中写入该数据包头中的Flowlabel字段和时间戳字段的内容，然后发送ACK包给源Leaf交换机；
源Leaf交换机收到该数据包对应的ACK包后，基于ACK包头中Flow label字段确定该转发该数据包的出端口，将ACK包头中时间戳字段记录的时间差ΔT作为转发该数据包的出端口至目的Leaf交换机的路径的延时。
4.根据权利要求1所述的基于路径延时探测的负载均衡方法，其特征在于，源Leaf交换机设置速率测量定时器；基于速率测量定时器，按一定周期更新记录的每条流的速率。
5.根据权利要求1所述的基于路径延时探测的负载均衡方法，其特征在于，若各条路径的延时差异较大，则基于记录的每条流的速率，将延时最大的路径上速率最小的流重路由到延时最小的路径上。
6.一种基于路径延时探测的负载均衡系统，其特征在于，包括源Leaf交换机，其采用权利要求1～5中任一项所述的方法实现负载均衡。
7.一种基于路径延时探测的负载均衡系统，其特征在于，包括源Leaf交换机、目的Leaf交换机和接收端，采用权利要求3所述的方法实现负载均衡。
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