CN111464452A - 基于dctcp的快速拥塞反馈方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于DCTCP的快速拥塞反馈方法，适用于数据中心环境中，是对Data Center TCP拥塞控制算法的改进。DCTCP作为一种端到端的拥塞控制算法，其利用ECN机制标记交换机中超过队列阈值的报文，再将拥塞信息反馈给发送方，进而进行精准的拥塞控制。本发明通过使用ECN机制标记队列头部的报文，从而消除队列对反馈信息造成的延迟，使发送方尽早地降低发送速率及时缓解网络拥塞。本发明是对DCTCP拥塞控制算法的改进，在能精准有效的反馈拥塞程度的同时，还可以将拥塞信号更早的反馈给发送方，进而降低Incast现象下因拥塞反馈不及时造成交换机出现buffer bloat的风险，同时通过队头标记方法可以加快网络收敛速度降低流之间的不公平性，缩短流完成时间。

Description

基于DCTCP的快速拥塞反馈方法
技术领域
本发明属于TCP拥塞控制领域，特别是一种基于DCTCP的快速拥塞反馈方法。
背景技术
TCP协议是计算机网络传输层使用的两种协议之一，是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，而其中TCP拥塞控制方法又是TCP协议的核心。但是，传统的TCP拥塞控制算法是面向互联网环境而设计产生的，在当前高带宽低延迟的数据中心网络环境下，使用传统的TCP拥塞控制方法会使得网络性能急剧下降。因此，必须设计满足数据中心网络特点的TCP拥塞控制协议。
当前，针对数据中心网络环境的TCP拥塞控制方法有很多，从检测拥塞的方式来看，可以分为两大类：
1)被动式拥塞检测。这类拥塞控制算法检测出拥塞后再做处理，被动式拥塞检测又可细分为基于交换机和基于主机两种方式。其中基于交换机的典型代表有DCTCP、D2TCP和DCQCN，这类方法是基于显示拥塞通知ECN和随机早期检测RED实现的。另外基于主机的拥塞检测方法TIMELY、DC-Vegas等通过发送数据的往返时间(Round-Trip Time，RTT)作为判断拥塞的标准，以及BBR综合考虑了丢包和RTT的增加。(1.Alizadeh,M.,Greenberg,A.,Greenberg,Maltz,D.,etc.Data center TCP(DCTCP).Proceedings of SIGCOMM 2010,NEWDELHI,INDIA,30August-3September,pp.63-74.ACM,New York,NY,USA.2.B.Vamanan,J.Hasan,T.N.Vijaykumar,Deadline-aware datacenter tcp,In Proc.of ACM SIGCOMMconference on Applications,technologies,architectures,and protocols forcomputer communication,New York,NY,USA,2012,pp.115-126.3.Yibo Zhu,HaggaiEran,Daniel Firestone,Chuanxiong Guo,Marina Lipshteyn,Yehonatan Liron,Jitendra Padhye,Shachar Raindel,Mohamad Haj Yahia,and Ming Zhang.CongestionControl for Large-Scale RDMA Deployments.In SIGCOMM,2015.4.Radhika Mittal,Vinh The Lam,Nandita Dukkipati,etc.TIMELY:RTT-based Congestion Control forthe Datacenter,Proceeding of SIGCOMM’15,August 17-21,London,United Kingdom,pp.537-550,2015.5.Jingyuan Wang,Jiangtao Wen,Chao Li,Zhang Xiong,YuxingHan.DC-Vegas:A delay-based TCP congestion control algorithm for datacenterapplications,Journal of Network and Computer Applications,53,pp.103-114,2015.6.Neal Cardwell,Yuchung Cheng,C.Stephen Gunn,Soheil Hassas Yeganeh andVan Jacobson.BBR:Congestion-Based Congestion Control.Communications of theACM Volume 60,Number 2(2017),Pages 58-66)。这种被动式方法的优势在于利用TCP协议中的已有属性或者交换机信息，实现相对简单，易于部署，但是这种被动式的拥塞检测往往存在拥塞信号延迟到达的现象，或者需要交换机的支持。
2)主动式拥塞检测。这类拥塞控制算法拥塞出现前就开始预防，主动式拥塞检测又可分为集中式、端到端分散式和逐跳分散式三类模式。这三类模式的典型代表分别有FastPass、SRP和ExpressPass，FastPass使用全局信息来管理流传输，SRP预定目的端的可用时隙以在其可用容量内发送数据,避免了端点拥塞，ExpressPass接收端通过Credit报文来控制发送端的报文发送。(7.J.Perry,A.Ousterhout,H.Balakrishnan,D.Shah,H.Fugal,Fastpass:A centralized zero-queue datacenter network,ACM SIGCOMMComput.Commun.Rev.44(4)(2015)307–318.8.N.Jiang,D.U.Becker,G.Michelogiannakis,W.J.Dally,Network congestion avoidance through speculative reservation,in:High Performance Computer Architecture,HPCA,2012IEEE 18th InternationalSymposium on,IEEE,2012,pp.1–12.9.I.Cho,K.Jang,D.Han,Proceedings of theConference of the,ACM Special Interest Group on Data Communication,ACM,2017,pp.239–252.)虽然主动式拥塞检测策略在便利短消息和实现公平性方面相对要比被动式策略好一些，但是此类方法难于实现而且会有额外的预处理开销。
发明内容
本发明的目的是在数据中心网络环境下，对DCTCP拥塞控制算法进行改进，发生拥塞时使用ECN机制结合随即早期检测RED队列管理方法对在队列头部(而不是尾部)的报文进行标记，尽早地传回拥塞信号，从而防止网络拥塞信号经历较长队列延迟。
实现本发明目的的技术解决方案为：基于DCTCP的快速拥塞反馈方法，该方法应用于数据中心网络中，该网络环境包括发送端、接收端和交换机，所述发送端和接收端均与交换机相连，且它们之间通过交换机进行数据传输；所述方法具体包括以下步骤：
步骤1，以队列长度不超过队列可容纳的极限为基准，对交换机队列入队进行管理；
步骤2，对交换机队列出队进行管理，在网络处于拥塞时，使用显式拥塞通知ECN标记对出队的报文进行标记；
步骤3，接收端收到拥塞通知信息后，在相应的ACK的TCP头部打上ECE标记，并发送ACK告知发送端；
步骤4，针对有ECE标记的ACK，发送端统计在一个RTT时间内被标记的报文字节数；
步骤5，发送端根据被标记的报文字节数占该RTT内发送总字节数的比例，重新计算拥塞窗口后调整发送端的发送速率，完成当前周期的TCP拥塞处理，之后返回步骤1进行下一个周期的拥塞处理。
进一步地，步骤1所述以队列长度不超过队列可容纳的极限为基准，对交换机队列入队进行管理，具体过程包括：
步骤1-1，交换机队列入队时实时检测交换机输入端口的瞬时队列长度；
步骤1-2，判断当前瞬时队列长度加上将要入队的报文大小是否超过队列容纳极限，若是则丢弃该报文；否则令该报文入队。
进一步地，步骤2所述对交换机队列出队进行管理，在网络处于拥塞时，对出队的报文进行标记，具体过程包括：
步骤2-1，交换机队列出队时实时监测交换机输出端口的瞬时队列长度，将当前瞬时队列长度记为Qins；
步骤2-2，判断当前瞬时队列长度Qins是否为0，若为0，表示队列为空，不需要出队操作，返回步骤2-1；否则，执行步骤2-3；
步骤2-3，判断当前瞬时队列长度Qins是否超过预设阈值K，若是，表示链路处于拥塞状态，设置当前交换机标记状态State＝DTYPE_MARKED；否则表示链路没有发生拥塞，设置当前交换机标记状态State＝DTYPE_NONE；
步骤2-4、执行出队操作，同时交换机根据状态State对出队的报文进行操作，若State＝DTYPE_MARKED，则使用显式拥塞通知ECN标记对出队的报文Item进行标记，否则不对出队的报文Item进行任何操作。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)对位于队列头部将要出队的报文进行标记，可以尽早地将拥塞信号传回，从而缓解Incast现象，减轻缓冲溢出的风险；2)当有新的流加入到网络中时，在队列头部标记报文可以加快网络收敛速度，降低流之间的不公平性；3)缩短流完成时间。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为一个实施例中基于DCTCP的快速拥塞反馈方法的流程图。
图2为一个实施例中本发明的应用场景。
图3为一个实施例中交换机端入队数据处理流程图。
图4为一个实施例中交换机出队操作状态变迁图。
图5为一个实施例中交换机端出队数据处理流程图。
具体实施方式
DCTCP作为一种端到端的拥塞控制算法，其利用ECN机制标记交换机中超过队列阈值的报文，再将拥塞信息反馈给发送方，进而进行精准的拥塞控制。但这种基于尾队列标记的拥塞反馈由于报文在队列中排队而存在一定的延迟，在数据中心网络的突发流量环境下会造成拥塞信息不准确，所以本发明将通过使用ECN机制标记队列头部的报文，从而消除队列对反馈信息造成的延迟，使发送方尽早地降低发送速率及时缓解网络拥塞。
在一个实施例中，结合图1，提供了一种基于DCTCP的快速拥塞反馈方法，该方法应用于数据中心网络中，结合图2，该网络环境包括发送端、接收端和交换机，所述发送端和接收端均与交换机相连，且它们之间通过交换机进行数据传输；所述方法具体包括以下步骤：
步骤1，以队列长度不超过队列可容纳的极限为基准，对交换机队列入队进行管理；
步骤2，对交换机队列出队进行管理，在网络处于拥塞时，使用显式拥塞通知ECN标记对出队的报文进行标记；
步骤3，接收端收到拥塞通知信息后，在相应的ACK的TCP头部打上ECE标记，并发送ACK告知发送端；
步骤4，针对有ECE标记的ACK，发送端统计在一个RTT时间内被标记的报文字节数；
步骤5，发送端根据被标记的报文字节数占该RTT内发送总字节数的比例，重新计算拥塞窗口后调整发送端的发送速率，完成当前周期的TCP拥塞处理，之后返回步骤1进行下一个周期的拥塞处理。
这里，接到拥塞信号的发送端使用原本的DCTCP进行拥塞控制。
进一步地，在其中一个实施例中，结合图3，上述步骤1以队列长度不超过队列可容纳的极限为基准，对交换机队列入队进行管理，具体过程包括：
步骤1-1，交换机队列入队时实时检测交换机输入端口的瞬时队列长度CurrentSize；
步骤1-2，判断当前瞬时队列长度加上将要入队的报文大小ItemSize是否超过队列容纳极限MaxSize，若是(CurrentSize+ItemSize＞MaxSize)则丢弃该报文；否则令该报文入队。
进一步地，在其中一个实施例中，结合图4和图5，上述步骤2对交换机队列出队进行管理，在网络处于拥塞时，对出队的报文进行标记，具体过程包括：
步骤2-1，交换机队列出队时实时监测交换机输出端口的瞬时队列长度，将当前瞬时队列长度记为Qins；
步骤2-2，判断当前瞬时队列长度Qins是否为0，若为0，表示队列为空，不需要出队操作，返回步骤2-1；否则，执行步骤2-3；
步骤2-3，判断当前瞬时队列长度Qins是否超过预设阈值K，若是，表示链路处于拥塞状态，设置当前交换机标记状态State＝DTYPE_MARKED；否则表示链路没有发生拥塞，设置当前交换机标记状态State＝DTYPE_NONE；
步骤2-4、执行出队操作，同时交换机根据状态State对出队的报文进行操作，若State＝DTYPE_MARKED，则使用显式拥塞通知ECN标记对出队的报文Item进行标记，否则不对出队的报文Item进行任何操作。
在一个实施例中，作为一种具体示例，对本发明的方法进行进一步说明和验证，具体包括以下内容：
1、如图2所示，交换机与发送端和接收端之间均使用10Gbps的链路进行连接，链路延迟均为10微秒；如图4所示，交换机采用ECN机制和主动队列管理方法中的RED算法进行处理，规定交换机缓冲区为200KB，交换机实时监测端口队列长度，规定交换机阈值为K＝65(Data center TCP(DCTCP)文中建议在10Gbps网络中，交换机阈值设为65个报文大小)，本例中规定报文大小为1KB，也即当交换机队列超过65KB时瓶颈链路处于拥塞状态，交换机开始对队列头部出队的报文进行标记，进而拥塞信息可以免去65KB的队列延迟尽早地到达发送端(10Gbps链路中65KB的队列延迟约为52微秒)。
2、接到拥塞信号的发送端使用原本的DCTCP进行拥塞控制。
由上可知，本方法可以提升原有DCTCP拥塞控制性能，在10Gbps数据中心网络中可以将拥塞信号提前大约52微秒反馈到发送端，在能精准有效的反馈拥塞程度的同时，还可以将拥塞信号更早的反馈给发送方，进而降低Incast现象下因拥塞反馈不及时造成交换机出现buffer bloat的风险，同时通过队头标记方法可以加快网络收敛速度降低流之间的不公平性，缩短流完成时间。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.基于DCTCP的快速拥塞反馈方法，其特征在于，该方法应用于数据中心网络中，该网络环境包括发送端、接收端和交换机，所述发送端和接收端均与交换机相连，且它们之间通过交换机进行数据传输；所述方法具体包括以下步骤：
步骤1，以队列长度不超过队列可容纳的极限为基准，对交换机队列入队进行管理；
步骤2，对交换机队列出队进行管理，在网络处于拥塞时，使用显式拥塞通知ECN标记对出队的报文进行标记；
步骤3，接收端收到拥塞通知信息后，在相应的ACK的TCP头部打上ECE标记，并发送ACK告知发送端；
步骤4，针对有ECE标记的ACK，发送端统计在一个RTT时间内被标记的报文字节数；
步骤5，发送端根据被标记的报文字节数占该RTT内发送总字节数的比例，重新计算拥塞窗口后调整发送端的发送速率，完成当前周期的TCP拥塞处理，之后返回步骤1进行下一个周期的拥塞处理。
2.根据权利要求1所述的基于DCTCP的快速拥塞反馈方法，其特征在于，步骤1所述以队列长度不超过队列可容纳的极限为基准，对交换机队列入队进行管理，具体过程包括：
步骤1-1，交换机队列入队时实时检测交换机输入端口的瞬时队列长度；
步骤1-2，判断当前瞬时队列长度加上将要入队的报文大小是否超过队列容纳极限，若是则丢弃该报文；否则令该报文入队。
3.根据权利要求1或2所述的基于DCTCP的快速拥塞反馈方法，其特征在于，步骤2所述对交换机队列出队进行管理，在网络处于拥塞时，对出队的报文进行标记，具体过程包括：
步骤2-1，交换机队列出队时实时监测交换机输出端口的瞬时队列长度，将当前瞬时队列长度记为Qins；
步骤2-2，判断当前瞬时队列长度Qins是否为0，若为0，表示队列为空，不需要出队操作，返回步骤2-1；否则，执行步骤2-3；
步骤2-3，判断当前瞬时队列长度Qins是否超过预设阈值K，若是，表示链路处于拥塞状态，设置当前交换机标记状态State＝DTYPE_MARKED；否则表示链路没有发生拥塞，设置当前交换机标记状态State＝DTYPE_NONE；
步骤2-4、执行出队操作，同时交换机根据状态State对出队的报文进行操作，若State＝DTYPE_MARKED，则使用显式拥塞通知ECN标记对出队的报文Item进行标记，否则不对出队的报文Item进行任何操作。
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