CN111817973B - 一种数据中心网络负载的均衡方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种数据中心网络负载的均衡方法，发送端主机在发送某条TCP flow的流量时，首先进行flowlet切分，然后flowlet进行流量大小的监测，观察是否超出了设定的阈值，如果单位时间流量超过了阈值，则进行进一步的切分；然后切分得到的的子流片段中packet的TCP源端口号进行修改，子流片段被视作一个个独立的“flow”进行转发，实现了负载均衡的目的；最后接收端主机对接收到的子流片段进行TCP源端口号的恢复，然后再递交给上层TCP层。本发明弥补基于flowlet均衡方法过于被动的不足，提升网络负载均衡效果，减小细粒度时间突发流量对网络传输性能的影响，同时摆脱对flowlet交换机的依赖，在主机上通过软件来实现可以方便方法的部署和后期迭代更新。

Description

一种数据中心网络负载的均衡方法
技术领域
本发明属于数据中心网络流量传输技术领域，更为具体地讲，涉及一种数据中心网络负载的均衡方法，通过均衡策略应对数据中心网络细粒度时间突发流量的调度转发。
背景技术
现有数据中心网络负载的均衡方法中，有一种实现是通过对flow(流)进行切分，得到多个子流片段，然后对这些子流片段分别进行路由转发，以实现负载均衡的效果。这其中，有一类方法运用了packet(数据包)在时间维度上的分布规律进行切分，在这样的切分机制下得到的子流片段我们称其为flowlet。
基于flowlet的负载均衡方法可以通过控制flowlet切分粒度，来达到提升均衡效果和减小接收方packet乱序到达之间的平衡。一般对flow的切分必然会带来一定的packet乱序到达的问题，而基于flowlet的负载均衡方法却可以通过调节flowlet切分粒度来控制packet乱序的发生，因而能够获得提升均衡效果和减小packet乱序之间的平衡。
然而，基于flowlet的负载均衡方法由于其切分策略过于被动，其均衡策略的调整都是由网络中发生的异常触发的，因此，这类负载均衡方法的处理延迟都较高，且无法对网络中持续时间极短(细粒度时间)的突发流量导致的网络异常进行预防，因而，也就无法处理细粒度时间突发流量的均衡转发。
而细粒度时间突发流量的典型的特征就是持续时间极短，而数据量较大，为了应对这类流量的均衡转发，负载均衡方法就需要做到极短的处理时延和较好的均衡效果。
发明内容
为了应对数据中心网络突发流量的转发，弥补现有基于flowlet的负载均衡方法在细粒度时间突发流量处理策略过于被动的缺陷，本发明提供一种数据中心网络负载的均衡方法，设计一种较为主动的flowlet切分策略，以实现在保证较好的负载均衡效果和packet乱序控制的条件下，也能应对极短时间(细粒度时间)突发流量的均衡转发，降低处理时延以及突发流量对网络传输的影响，提升基于flowlet的负载均衡方法的均衡效果。
为实现上述发明目的，本发明数据中心网络负载的均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、使用flowlet切分机制对flow进行切分
发送端主机在发送某条TCP flow时，根据flow中各packet之间时间间隔的大小来进行flowlet切分，得到各个子流片段(flowlet)；
(2)、发送流量的实时监控和主动切分
发送端主机对切分出来的各个flowlet的发送流量进行实时监控，当监控到的flowlet单位时间发送流量大于了提前设定好的阈值时，则判定flowlet中包含突发性较强的流量(细粒度时间突发流量)，此时，这段flowlet进行进一步切分，使该flowlet被切分为更细的子流片段；
(3)、修改各子流片段中packet的TCP源端口号
发送端主机对步骤(1)切分得到的未进一步切分的子流片段以及进一步切分得到的更细的子流片段(简称子流片段)中packet的TCP源端口号进行修改，实现上层网络分别对这些子流片段进行独立转发的目的；具体的修改过程为：
对于每个切分出来的子流片段，其中的packet的TCP源端口号均与一个偏移量相加，偏移量从0开始，每修改一个子流片段的packet的TCP源端口号时就把该偏移量加1，直至加到63后，再从0开始；如果TCP源端口号增加后超出了TCP端口号上限65535，则需要对加上偏移量后的TCP源端口号对65536进行取模，取模得到的结果为修改后的TCP源端口号；
增加的偏移量记录在packet头部TOS(Type of Service，服务类别)字段前六位；
(4)、对packet修改的TCP源端口号进行恢复
接收端主机接收到packet后，可以通过查看TOS字段记录的偏移量对TCP源端口号进行恢复：TCP源端口号减去偏移量，然后对65536进行取模得到TCP源端口号，根据得到的TCP源端口号恢复packet的TCP源端口号，然后将packet递交给TCP层，就实现了均衡方法对上层协议的透明。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明数据中心网络负载的均衡方法，发送端主机在发送某条TCP flow的流量时，首先会根据flow中各packet之间时间间隔的大小来进行flowlet切分，这个过程类似于LetFlow方法；然后再对切分得到的flowlet进行流量大小的监测，观察其单位时间内流量大小是否超出了设定的阈值，进而判断是否存在突发性较强的流量(细粒度时间突发流量)。如果单位时间流量超过了阈值，则进行进一步的切分，将该子流片段(flowlet)切分成为更细的子流片段；然后切分得到的未进一步切分的子流片段以及进一步切分得到的更细的子流片段中packet的TCP源端口号进行修改，实现修改其五元组的目的，这样在网络层这些子流片段(flowlet)和更细的子流片段就会被视作一个个独立的“flow”进行转发，实现了负载均衡的目的；最后接收端主机对接收到的子流片段进行TCP源端口号的恢复，然后再递交给上层TCP层。这样使得本发明具有以下有益技术效果：
(1)、通过主动切分机制可以弥补基于flowlet均衡方法存在均衡策略过于被动的不足，提升网络负载均衡效果；
(2)、通过增加的流量突发性监测和主动切分机制可以实现对突发性较强的流量进行及时地分流转发，减小细粒度时间突发流量对网络传输性能的影响；
(3)、本发明在主机侧实现，可以摆脱对flowlet交换机的依赖，在主机上通过软件来实现可以方便方法的部署和后期迭代更新。
附图说明
图1是本发明数据中心网络负载的均衡方法一种具体实施方式的流程图；
图2是flowlet切分过程示例图；
图3是本发明中对flowlet进一步主动切分过程的示例图；
图4是本发明中TOS字段在IP头部的位置示意图；
图5是本发明和LetFlow方法在flowlet切分间隔为1000ms下buffer占用率大小的情况对比，其中，(a)为host层buffer占有率大小分布，(b)为L3层buffer占有率大小分布，(c)为L2层buffer占有率大小分布，(d)为L1层buffer占有率大小分布；
图6是本发明和LetFlow方法在flowlet切分间隔为100ms下buffer占用率大小的情况对比，其中，(a)为host层buffer占有率大小分布，(b)为L3层buffer占有率大小分布，(c)为L2层buffer占有率大小分布，(d)为L1层buffer占有率大小分布；
图7是本发明和LetFlow方法在flowlet切分间隔为10ms下buffer占用率大小的情况对比，其中，(a)为host层buffer占有率大小分布，(b)为L3层buffer占有率大小分布，(c)为L2层buffer占有率大小分布，(d)为L1层buffer占有率大小分布；
图8是本发明和LetFlow方法在三种flowlet切分粒度下流完成时间情况对比曲线图，其中，(a)为flowlet切分间隔为1000ms，(b)为flowlet切分间隔为100ms，(c)为flowlet切分间隔为10ms。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
图1是本发明数据中心网络负载的均衡方法一种具体实施方式的流程图。
在本实施例中，如图1所示，本发明数据中心网络负载的均衡方法包括以下步骤：
步骤S1：使用flowlet切分机制对flow进行切分
发送端主机在发送某条TCP flow时，根据flow中各packet之间时间间隔的大小来进行flowlet切分，得到各个子流片段(flowlet)。
为了获得较好的均衡效果和packet乱序控制效果，本发明依然引用了常规的flowlet切分机制对flow进行切分。该机制会根据flow中各packet在时间维度上的分布对flow进行flowlet切分，使得相邻时间间隔大于了既定的切分阈值Δt的packet分别切分至不同的flowlet，如t1，t2，t3>Δt，而相邻时间间隔小于既定阈值Δt的packet切分至相同的flowlet，具体实现如图2所示。最终，原先的flow经过切分得到了一段一段独立的flowlet子流片段。
步骤S2：发送流量的实时监控和主动切分
发送端主机对切分出来的各个flowlet的发送流量进行实时监控，当监控到的flowlet单位时间发送流量大于了提前设定好的阈值时，则判定flowlet中包含突发性较强的流量(细粒度时间突发流量)，此时，这段flowlet进行进一步切分，使该flowlet被切分为更细的子流片段。
本发明为了应对原有flowlet切分机制切分策略过于被动的不足，增加了主动的流量统计和监测机制，对步骤S1切分出来的各个flowlet的发送流量进行实时监控，当监控到的flowlet单位时间发送流量大于了提前设定好的阈值时，则判定flowlet中包含突发性较强的流量，此时，本发明对这段flowlet进行进一步切分，切分过程如图3所示，使该flowlet被切分为更细的子流片段，从而实现分流转发，减小流量突发性对网络传输的影响。
步骤S3：修改各子流片段中packet的TCP源端口号
现有基于flowlet的负载均衡方法是在交换机侧实现的，而本发明由于增加了主动流量监测和切分机制，使得交换机的硬件资源难以对其进行实现，因而需要搬移至主机侧，并在网络侧继续使用数据中心网络常用的ECMP(Equal-Cost Multipath Routing，等价多路径路由方法)。
由于主机没有控制数据转发的功能，因而无法直接像交换机那样对切分出的各个子流片段进行路由转发。为了实现不同子流独立进行路径选择的目的，本发明在主机侧采用了修改各子流片段中packet的TCP源端口号的方式，通过使不同的子流片段中五元组发生改变(网络层交换机一般通过五元组来区别不同的flow)，来实现上层网络分别对这些子流片段进行独立转发的目的。具体的修改过程为：
发送端主机对步骤(1)切分得到的未进一步切分的子流片段以及进一步切分得到的更细的子流片段(简称子流片段)中packet的TCP源端口号进行修改，实现上层网络分别对这些子流片段进行独立转发的目的；具体的修改过程为：
对于每个切分出来的子流片段，其中的packet的TCP源端口号均与一个偏移量相加，偏移量从0开始，每修改一个子流片段的packet的TCP源端口号时就把该偏移量加1，直至加到63后，再从0开始；如果TCP源端口号增加后超出了TCP端口号上限65535，则需要对加上偏移量后的TCP源端口号对65536进行取模，取模得到的结果为修改后的TCP源端口号。整个修改可以用公式表示为：
修改后的子流片段N的TCP源端口号＝(子流片段N的TCP源端口号+N％64)％65536，其中，N％64为偏移量，％为取模运算。
为了不影响TCP传输过程，需要在接收端对packet修改的TCP源端口号进行恢复，如图4所示，在发送端主机修改packet的TCP源端口号时需要将增加的偏移量记录在packet头部TOS(Type of Service，服务类别)字段前六位。
步骤S4：对packet修改的TCP源端口号进行恢复
如图4所示，当接收端主机接收到packet后可以通过查看TOS字段记录的偏移量对TCP源端口进行恢复：TCP源端口号减去偏移量，然后对65536进行取模得到TCP源端口号，根据得到的TCP源端口号恢复packet的TCP源端口号，然后将packet递交给TCP层，就实现了均衡方法对上层协议的透明。
整个恢复TCP源端口号的过程用公式表示为：
恢复后的子流片段N的TCP源端口号＝(数据包中的TCP源端口号-偏移量)％65536。
实例
从CAIDA(Center for Applied Internet Data Analysis)上下载了HTTP服务的流量集，分别在部署了本发明的负载均衡方法的网络和部署了LetFlow方法的网络中对流量进行传输并测量，共传输了64000条flow，得到了如表1、图1、图2、图3所示的对比结果。
Figure BDA0002557680850000061
表1
表1是本发明和LetFlow方法packet乱序情况和丢包率情况对比数据表。表1展示了两种方法在三种flowlet切分粒度下packet乱序情况和丢包情况统计，从表1可以发现本发明中packet乱序要更加严重，而丢包率却大大减小。
图5、6、7展示了在不同flowlet切分间隔下不同buffer占用率大小的数据分布情况，可以发现相比于LetFlow方法，本发明(用Modified)的buffer占用率要明显较小。
图8展示了本发明和LetFlow方法在三种flowlet切分粒度下流完成时间大小对比曲线图，可见，本发明的负载均衡方法流完成时间要明显小于LetFlow方法，说明本发明确实可以减小突发流量导致的buffer占用率过高、丢包率增大等问题，提升了网络的综合传输性能。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种数据中心网络负载的均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、使用flowlet切分机制对flow进行切分
发送端主机在发送某条TCP flow时，根据flow中各packet之间时间间隔的大小来进行flowlet切分，得到各个子流片段(flowlet)；
(2)、发送流量的实时监控和主动切分
发送端主机对切分出来的各个flowlet的发送流量进行实时监控，当监控到的flowlet单位时间发送流量大于了提前设定好的阈值时，则判定flowlet中包含突发性较强的流量即细粒度时间突发流量，此时，这段flowlet进行进一步切分，使该flowlet被切分为更细的子流片段；
(3)、修改各子流片段中packet的TCP源端口号
发送端主机对步骤(1)切分得到的未进一步切分的子流片段以及进一步切分得到的更细的子流片段中packet的TCP源端口号进行修改，实现上层网络分别对这些子流片段进行独立转发的目的；具体的修改过程为：
对于每个切分出来的子流片段，其中的packet的TCP源端口号均与一个偏移量相加，偏移量从0开始，每修改一个子流片段的packet的TCP源端口号时就把该偏移量加1，直至加到63后，再从0开始；如果TCP源端口号增加后超出了TCP端口号上限65535，则需要对加上偏移量后的TCP源端口号对65536进行取模，取模得到的结果为修改后的TCP源端口号；
增加的偏移量记录在packet头部TOS(Type of Service，服务类别)字段前六位；
(4)、对packet修改的TCP源端口号进行恢复
接收端主机接收到packet后，可以通过查看TOS字段记录的偏移量对TCP源端口号进行恢复：TCP源端口号减去偏移量，然后对65536进行取模得到TCP源端口号，根据得到的TCP源端口号恢复packet的TCP源端口号，然后将packet递交给TCP层，就实现了均衡方法对上层协议的透明。
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