CN111614471B - 一种基于sdn的dcqcn数据传输系统及传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于SDN的DCQCN数据传输系统及传输方法，数据传输系统包括若干SDN控制器、主机侧系统、智能网卡；其中，SDN控制器用于提供NETCONF协议服务，通过NETCONF协议承载智能网卡信息的上送和下发功能；智能网卡用于收集数据信息，对VxLAN信息进行设置，封装VxLAN信息，将包含CNP报文的VxLAN信息发送给源IP和目的IP；主机侧系统和SDN控制器建立NETCONF链接，获取本主机侧以及数据中心其他的智能网卡映射信息，对本主机侧智能网卡信息进行设置。本发明提出了基于SDN的控制转发分离的思想，保证关键控制报文能及时送到发送方，其次，控制通道也可以减少CNP报文转发的跳数，从而进一步缩短CNP报文从发送端到接收端时间，更加及时的做出降速响应。
Description
技术领域
本发明属于智能网卡技术领域，尤其涉及一种基于SDN的DCQCN数据传输系统及传输方法。
背景技术
DC-QCN算法是基于数据中心TCP(DCTCP)和量化通知算法（QCN）的结合。最初的算法在SIGCOMM'15论文"Congestion control for large scale RDMA deployments"中提出。DC-QCN算法依赖于交换机端的ECN标记。ECN是商用数据中心交换机的普遍特点，在数据包IP头部中的差分服务域中的两个比特位用来提示拥塞。一旦交换机端出现了拥塞，这两个比特位就被置为"11"(CE)。带有ECN标记的数据包被传播到接收方的网卡上，接收方网卡创建一个CNP报文，并把它发送给ECN所标记的数据包的发送方。CNP数据包包括被标记的QP的信息。当CNP被发送方网卡收到时，它会基于相应的算法来降低指定QP的传输速率。简而言之，如果QP基于内部定时器和发送字节计数器，算法会持续的增加发送速率，一旦收到CNP包，就会对指定QP进行降速。
DCQCN协议实现未考虑CNP报文达到发送方网卡的效率问题，如果CNP报文在传输过程中遭遇到拥塞，那么发送方网卡就不能及时的得到响应降速，从而在短时间内加剧拥塞恶化程度。
发明内容
考虑DCQCN算法中发送方网卡收到CNP报文的效率问题，本发明提出了基于SDN的控制转发分离的思想，保证关键控制报文能及时送到发送方，其次，控制通道也可以减少CNP报文转发的跳数，从而进一步缩短CNP报文从发送端到接收端时间，更加及时的做出降速响应。
为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
本发明一种基于SDN的DCQCN数据传输系统包括若干SDN控制器、主机侧系统、智能网卡；其中，
所述SDN控制器用于提供NETCONF协议服务，通过NETCONF协议承载智能网卡信息的上送和下发功能；
所述智能网卡用于收集数据信息，对VxLAN信息进行设置，封装VxLAN信息，将包含CNP报文的VxLAN信息发送给源IP和目的IP；
所述主机侧系统和SDN控制器建立NETCONF链接，获取本主机侧以及数据中心其他的智能网卡映射信息，对本主机侧智能网卡信息进行设置。
进一步的，所述SDN控制器作为NETCONF协议服务端与主机侧系统建立NETCONF链接；
所述SDN控制器收集整个数据中心内部所有主机上智能网卡的管理接口IP和数据接口IP的映射关系信息，将全量信息发给所有的智能网卡。
进一步的，所述智能网卡提供API接口信息给主机侧的系统，获取该智能网卡上的管理口和数据口IP信息；当智能网卡收到了ECN标记的报文后，产生了一个CNP报文，根据CNP报文的目的IP去查找智能网卡映射表，再根据智能网卡的映射表封装VxLAN报文，从该智能网卡的管理口发送出去；
当智能网卡的管理口收到了VxLAN报文，解析CNP报文，进行相应的QP队列降速操作。
更进一步的，所述主机侧系统作为NETCONF客户端，和SDN控制器建立NETCONF链接，所述主机侧系统包含本主机侧智能网卡，在所述主机侧智能网卡中包含映射信息、数据中心其他智能网卡映射信息；利用智能网卡的API接口收集获取到本机侧智能网卡的映射信息；从SDN控制器获取到数据中心其他智能网卡的信息，然后通过智能网卡的API接口将其他智能网卡的信息设置到本主机侧智能网上生效。
本发明还提供基于上述一种基于SDN的DCQCN数据传输系统的传输方法，所述传输方法包括以下步骤：
步骤一，数据中心两个智能网卡之间的报文传输由一个智能网卡发出RoCEv2的UDP报文，经过数据中心交换机的转发，发送到目的端数据中心另外一个智能网卡上，当数据报文在传输过程中发生了拥塞，即在交换机上该数据报文被置上了ECN标记；
步骤二，接收方智能网卡收到打上ECN标记的报文，立即触发智能网卡内部生成CNP报文，CNP报文的源目的地址就是ECN标记报文的目的地址和源地址；所述CNP报文生成后，智能网卡进行VxLAN报文封装操作，VxLAN的目的地址根据CNP报文的目的地址，查找本数据中心所有智能网卡的映射表，找到对应的智能网卡的管理口地址作为VxLAN报文的目的地址，VxLAN报文的源地址采用本智能网卡的管理口IP地址，完成VxLAN报文封装后，从本智能网卡的管理口发送出去；
步骤三，VxLAN报文经过数据中心的管理网络传输到发送方智能网卡；
步骤四，发送方智能网卡接收到VxLAN报文，进行合法性校验，对的合法的VxLAN报文进行VxLAN报文解封装操作，获取到CNP报文，同时对CNP报文进行合法性校验；
步骤五，经过合法性校验的CNP报文，进行CNP报文的解析操作，对相应的QP队列进行降速操作。
进一步的，所述步骤二中提到的从本智能网卡的管理口发送出去，具体包括以下步骤：
步骤2.1，在主机侧系统根据配置命令主动和SDN控制器建立NETCONF链接；
步骤2.2，配置智能网卡的管理口、数据口IP地址信息，并在智能网卡上生效；
步骤2.3，通过智能网卡提供的API接口获取本机侧智能网卡的管理口、数据口IP地址的信息内容，通过NETCONF通道发送给SDN控制器；
步骤2.4，SDN控制器通过NETCONF通道获取到相应的主机侧智能网卡的关键信息，并汇总本地存储；
步骤2.5，SDN控制器将收集到的本数据中心的所有主机侧智能网卡信息通过NETCONF通道发送给所有主机侧系统；
步骤2.6，主机侧系统通过NETCONF通道接收到本数据中心其他智能网卡信息，并通过本机侧智能网卡的API接口设置到本机侧智能网卡上记录生效。
本发明实施的技术方案带来的有益效果至少包括：
本发明的优势在于将SDN的思想和数据中心的DCQCN拥塞算法相结合，将智能网卡作为一个节点纳入SDN控制的管控范围之内，将DCQCN的CNP报文通过VxLAN封装在数据中心的管理网络中传输，从而保证类似CNP这种关键的控制类报文和大吞吐的数据报文分开传输，保证关键CNP报文不会因为数据通道的拥塞而丢弃或者延时。另外CNP报文经过管理网络传输保证传输的跳数都是两跳即可送到目的智能网卡，提高了CNP响应的时间效率，从而进一步提高数据中心拥塞控制的质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对本发明中所需要使用的附图进行简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其它附图。
图1为本发明基于SDN的DCQCN数据传输系统的网络拓扑图；
图2为智能网卡信息上报和下发业务流程图；
图3为CNP报文经过管理网络转发业务流程图；
图4为本发明基于SDN的DCQCN数据传输系统运作流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合说明书附图对本发明的实施方式做进一步地详细叙述。
实施例1
如图1所示，本发明提供的基于SDN的DCQCN数据传输系统，包括若干SDN控制器、主机侧系统、智能网卡；其中，
所述SDN控制器用于提供NETCONF协议服务，通过NETCONF协议承载智能网卡信息的上送和下发功能；
所述智能网卡用于收集数据信息，对VxLAN信息进行设置，封装VxLAN信息，将包含CNP报文的VxLAN信息发送给源IP和目的IP；
所述主机侧系统和SDN控制器建立NETCONF链接，获取本主机侧以及数据中心其他的智能网卡映射信息，对本主机侧智能网卡信息进行设置。
SDN控制器的主要功能有以下两点：
(1)NETCONF协议服务端功能。SDN控制作为NETCONF协议服务端和主机侧系统建立NETCONF链接，通过NETCONF协议承载智能网卡信息的上送和下发功能。
(2)智能网卡信息收集。SDN控制器首先需要收集智能网卡的信息，主要是智能网卡的数据接口和管理接口的IP地址信息，建立智能网卡的管理口IP和数据口IP的映射关系。
(3)智能网卡信息下发。SDN控制器收集整个数据中心内部所有主机上智能网卡的管理口IP和数据口IP的映射关系信息，将全量信息发给所有的智能网卡。即数据中心的所有智能网卡上都可以获取到所有其他智能网卡的信息。智能网卡根据这些映射关系识别或者封装VxLAN报文信息。
智能网卡SmartNIC的主要功能有以下几点：
(1)智能网卡信息收集功能。智能网卡提供API接口给主机侧的系统，获取该智能网卡上的管理口和数据口IP等信息。
(2)VxLAN信息设置功能。智能网卡提供API接口给主机侧系统，主机侧系统可以将数据中心其他智能网卡的信息设置到本智能网卡上生效，即作为VxLAN报文封装和解封装的数据依据。
(3)VxLAN的封装功能。当智能网卡感知到网络拥塞，即收到了ECN标记的报文后，产生了一个CNP报文，此时根据CNP报文的目的IP去查找智能网卡映射表，根据智能网卡的映射表，封装VxLAN报文，从智能网卡的管理口发送出去，VxLAN的源目的IP就是两个智能网卡的管理口IP。
(4)VxLAN的解封装功能。智能网卡的管理口收到了VxLAN报文，对VxLAN报文做相关合法性校验后，解封装，获取payload信息，即CNP报文，进而解析CNP报文，进行相应的QP队列降速操作。
(5)智能网卡支持DCQCN功能。
主机侧系统的主要功能有以下几点：
(1)NETCONF协议客户端功能。主机侧系统作为NETCONF客户端，和SDN控制器建立NETCONF链接，NETCONF协议承载两部分信息内容：本主机侧智能网卡映射信息、数据中心其他智能网卡映射信息。
(2)智能网卡信息收集功能。利用智能网卡的API接口收集获取到本机侧智能网卡的映射信息，然后通过NETCONF协议上送给SDN控制器。
(3)智能网卡信息设置功能。从SDN控制器通过NETCONF协议获取到数据中心其他智能网卡的信息，然后通过智能网卡的API接口将其他智能网卡的信息设置到本主机侧智能网上生效。
软件定义网络SDN是一种软件集中控制、网络开放的三层体系架构。应用层实现对网络业务的呈现和网络模型的抽象；控制层实现网络操作系统功能，集中管理网络资源；转发层实现分组交换功能。应用层与控制层之间的北向接口是网络开放的核心，控制层的产生实现了控制面与转发面的分离，是集中控制的基础。
SDN带来的最大价值是提高了全网资源使用效率，提升了网络虚拟化能力并加速了网络创新。集中部署的控制层可完成拓扑管理、资源统计、路由计算、配置下发等功能，获得全网资源使用情况，隔离不同用户间的虚拟网络。应用层通过开放的北向接口获取网络信息，采用软件算法优化、网络资源调度，提高全网的使用率和网络质量，同时将虚拟网络配置的能力开放给用户。满足用户按需调整网络的需求，实现网络服务虚拟化。分层的架构加速了各层分别进行创新。
本发明通过智能网卡上新增一个管理接口接入数据中心的管理网络中，CNP报文的发送方网卡产生CNP报文后，根据产生的CNP报文的目的IP来查找封装VxLAN报文后经智能网卡的管理口发出，通过数据中心的管理网络送达发送方网卡；发送方网卡的管理口收到VxLAN报文后，拨除VxLAN封装，生效CNP报文，达到降速的效果。
实施例2
基于SDN的DCQCN数据传输系统的业务流程主要分为两个部分，第一部分是初始化配置部分，即数据中心系统设备上电后，开始通过SDN控制收集本数据中心的所有智能网卡信息并下发设置生效；第二部分是数据中心在实际运行时，当出现了数据拥塞情况后，DCQCN协议生效，产生的CNP报文经过VxLAN封装后经管理网络传输并及时生效。
如图2所示，基于实施例1中的基于SDN的DCQCN数据传输系统，该系统的控制面数据流程，即智能网卡信息上报和下发的关键业务流程如下：
(1)系统设备初始上电后，首先在主机侧系统上根据配置命令主动和SDN控制建立NETCONF链接，打通主机侧和SDN控制器的NETCONF通道；
(2)通过CLI或者其他方式配置智能网卡的管理口、数据口IP地址信息，并在智能网卡上生效；
(3)通过智能网卡提供的API接口主动获取本机侧智能网卡的管理口、数据口IP等关键信息内容，通过NETCONF通道发送给SDN控制；
(4)SDN控制器通过NETCONF通道获取到相应的主机侧智能网卡的关键信息，并汇总本地存储；
(5)SDN控制器将收集到的本数据中心的所有主机侧智能网卡信息通过NETCONF通道发送给所有主机侧系统；
(6)主机侧系统通过NETCONF通道接收到本数据中心其他智能网卡信息，并通过本机侧智能网卡的API接口设置到本机侧智能网卡上记录生效。
基于SDN的DCQCN数据传输系统控制面信息汇总设置完成后，该系统开始在数据中心内部的数据转发面生效。
如图3所示，基于SDN的DCQCN协议报文转发流程，即CNP报文经过管理网络转发业务流程如下：
(1)数据中心两个智能网卡之间的报文传输，由一个智能网卡发出RoCEv2的UDP报文，经过数据中心交换机的转发，发送到目的端数据中心另外一个智能网卡上，当数据报文在传输过程中发生了拥塞，即在交换机上该数据报文被置上了ECN标记；
(2)接收方智能网卡收到打上ECN标记的报文，表明该报文的传输网络发送了拥塞，立即触发智能网卡内部生成CNP报文，CNP报文的源目的地址就是ECN标记报文的目的地址和源地址；
(3)CNP报文生成后，进行VxLAN报文的封装操作。VxLAN的目的地址根据CNP报文的目的地址，查找本数据中心所有智能网卡的映射表，找到对应的智能网卡的管理口地址作为VxLAN报文的目的地址，VxLAN报文的源地址采用本智能网卡的管理口IP地址，完成VxLAN报文封装后，从本智能网卡的管理口发送出去；
(4)VxLAN报文经过数据中心的管理网络传输到发送方智能网卡；
(5)发送方智能网卡接收到VxLAN报文，进行必要的合法性校验，例如校验VxLAN报文的源IP是否合法等等；
(6)合法的VxLAN报文进行VxLAN报文解封装操作，从payload中获取到CNP报文，同时对CNP报文进行必要的合法性校验，例如校验CNP报文的源目的IP是否合法等等；
(7)经过合法性校验的CNP报文，进行CNP报文的解析操作，对相应的QP队列进行降速操作。
如图4所示，为本发明基于SDN的DCQCN数据传输系统的运作流程：
1. 数据报文从HOST-1侧发出，目的端是HOST-8，数据报文在数据中心经过T1、L2、S2、L4、T4交换机达到HOST-8设备；
2. 该数据报文在S2交换机上遭遇到拥塞，报文在S2交换机上置上ECN标记；
3. HOST-8设备的智能网卡收到置上ECN标记的数据报文后，立即触发生成相应的CNP报文，CNP报文的源目的地址就是ECN标记报文的目的地址和源地址；
4. CNP报文生成后，进行VxLAN报文的封装操作。VxLAN的目的地址根据CNP报文的目的地址，查找本数据中心所有智能网卡的映射表，找到对应的智能网卡的管理口地址作为VxLAN报文的目的地址，VxLAN报文的源地址采用本智能网卡的管理口IP地址，完成VxLAN报文封装后，从本智能网卡的管理口发送出去；
5. VxLAN报文经过数据中心的管理网络传输到发送方智能网卡；
6. 发送方HOST-1设备的智能网卡接收到VxLAN报文，进行必要的合法性校验，例如校验VxLAN报文的源IP是否合法等等；
7. 合法的VxLAN报文进行VxLAN报文解封装操作，从payload中获取到CNP报文，同时对CNP报文进行必要的合法性校验，例如校验CNP报文的源目的IP是否合法等等；
8. 经过合法性校验的CNP报文，进行CNP报文的解析操作，对相应的QP队列进行降速操作。
本发明的优势在于将SDN的思想和数据中心的DCQCN拥塞算法相结合，将智能网卡作为一个节点纳入SDN控制的管控范围之内，将DCQCN的CNP报文通过VxLAN封装在数据中心的管理网络中传输，从而保证类似CNP这种关键的控制类报文和大吞吐的数据报文分开传输，保证关键CNP报文不会因为数据通道的拥塞而丢弃或者延时。另外CNP报文经过管理网络传输保证传输的跳数都是两跳即可送到目的智能网卡，提高了CNP响应的时间效率，从而进一步提高数据中心拥塞控制的质量。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，该程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
上述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于SDN的DCQCN数据传输系统，其特征在于，所述数据传输系统包括若干SDN控制器、主机侧系统、智能网卡；其中，
所述SDN控制器用于提供NETCONF协议服务，通过NETCONF协议承载智能网卡信息的上送和下发功能；
所述智能网卡用于收集数据信息，对VxLAN信息进行设置，封装VxLAN信息，VxLAN信息的目的地址根据CNP报文的目的地址查找本数据中心所有智能网卡的映射表，找到对应的智能网卡的管理口地址作为VxLAN报文的目的地址，VxLAN报文的源地址采用本智能网卡的管理口IP地址，完成VxLAN报文封装后将包含CNP报文的VxLAN信息发送给源IP和目的IP；
所述主机侧系统和SDN控制器建立NETCONF链接，获取本主机侧以及数据中心其他的智能网卡映射信息，对本主机侧智能网卡信息进行设置，所述映射信息为整个数据中心内部所有主机上智能网卡的管理口IP和数据口IP 的映射关系信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于SDN的DCQCN数据传输系统，其特征在于，所述SDN控制器作为NETCONF协议服务端与主机侧系统建立NETCONF链接；
所述SDN控制器收集整个数据中心内部所有主机上智能网卡的管理接口IP和数据接口IP的映射关系信息，将全量信息发给所有的智能网卡。
3.根据权利要求1所述的一种基于SDN的DCQCN数据传输系统，其特征在于，所述智能网卡提供API接口信息给主机侧的系统，获取该智能网卡上的管理口和数据口IP信息；当智能网卡收到了ECN标记的报文后，产生了一个CNP报文，根据CNP报文的目的IP去查找智能网卡映射表，再根据智能网卡的映射表封装VxLAN报文，从该智能网卡的管理口发送出去；
当智能网卡的管理口收到了VxLAN报文，解析CNP报文，进行相应的QP队列降速操作。
4.根据权利要求1所述的一种基于SDN的DCQCN数据传输系统，其特征在于，所述主机侧系统作为NETCONF客户端，和SDN控制器建立NETCONF链接，所述主机侧系统包含本主机侧智能网卡，在所述主机侧智能网卡中包含映射信息、数据中心其他智能网卡映射信息；利用智能网卡的API接口收集获取到本机侧智能网卡的映射信息；从SDN控制器获取到数据中心其他智能网卡的信息，然后通过智能网卡的API接口将其他智能网卡的信息设置到本主机侧智能网上生效。
5.基于权利要求1所述的一种基于SDN的DCQCN数据传输系统的传输方法，其特征在于，所述传输方法包括以下步骤：
步骤一，数据中心两个智能网卡之间的报文传输由一个智能网卡发出RoCEv2的UDP报文，经过数据中心交换机的转发，发送到目的端数据中心另外一个智能网卡上，当数据报文在传输过程中发生了拥塞，即在交换机上该数据报文被置上了ECN标记；
步骤二，接收方智能网卡收到打上ECN标记的报文，立即触发智能网卡内部生成CNP报文，CNP报文的源目的地址就是ECN标记报文的目的地址和源地址；所述CNP报文生成后，智能网卡进行VxLAN报文封装操作，VxLAN的目的地址根据CNP报文的目的地址，查找本数据中心所有智能网卡的映射表，找到对应的智能网卡的管理口地址作为VxLAN报文的目的地址，VxLAN报文的源地址采用本智能网卡的管理口IP地址，完成VxLAN报文封装后，从本智能网卡的管理口发送出去；
步骤三，VxLAN报文经过数据中心的管理网络传输到发送方智能网卡；
步骤四，发送方智能网卡接收到VxLAN报文，进行合法性校验，对的合法的VxLAN报文进行VxLAN报文解封装操作，获取到CNP报文，同时对CNP报文进行合法性校验；
步骤五，经过合法性校验的CNP报文，进行CNP报文的解析操作，对相应的QP队列进行降速操作。
6.根据权利要求5所述的传输方法，其特征在于，所述步骤二中提到的从本智能网卡的管理口发送出去，具体包括以下步骤：
步骤2.1，在主机侧系统根据配置命令主动和SDN控制器建立NETCONF链接；
步骤2.2，配置智能网卡的管理口、数据口IP地址信息，并在智能网卡上生效；
步骤2.3，通过智能网卡提供的API接口获取本机侧智能网卡的管理口、数据口IP地址的信息内容，通过NETCONF通道发送给SDN控制器；
步骤2.4，SDN控制器通过NETCONF通道获取到相应的主机侧智能网卡的关键信息，并汇总本地存储；
步骤2.5，SDN控制器将收集到的本数据中心的所有主机侧智能网卡信息通过NETCONF通道发送给所有主机侧系统；
步骤2.6，主机侧系统通过NETCONF通道接收到本数据中心其他智能网卡信息，并通过本机侧智能网卡的API接口设置到本机侧智能网卡上记录生效。
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