CN112383450A - 一种网络拥塞检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种网络拥塞检测方法及装置，所述方法包括首节点使能网络拥塞检测，且将首节点的拥塞标识信息插入数据报文；中间节点和尾节点中的至少部分节点逐跳在数据报文中插入自身的拥塞标识信息；数据报文的接收端将所有的拥塞标识信息反馈回发送端；发送端根据反馈的拥塞标识信息，调整数据报文的发送速率。本发明通过逐跳增加VLAN扩展字段来携带网络拥塞标识信息，从而提高网络拥塞检测的精细粒度以及实现逐跳的网络拥塞检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种网络拥塞检测技术，尤其是涉及一种网络拥塞检测方法及装置。
背景技术
网络拥塞是指在网络中转发数据包的带宽超出端口转发能力时，由于网络交换机的队列缓存资源有限而造成数据报文转发时延增大，严重时甚至发生丢包重传，使得业务发生中断。
随着高性能计算的兴起，控制服务器会将整个计算任务拆分成多个子任务，分配到多个服务器进行计算，并将计算结果返回到控制服务器，导致数据中心网络流量出现多个端口发往一个端口，从而显著增大的网络拥塞的发生。传统网络交换机对于拥塞的检测和感知技术，主要依靠的是ECN(显示拥塞通告)机制。具体地，当网络交换机队列发生拥塞时，如果该IP数据流使能ECN拥塞检测机制，通过将数据流报文的ECN的2个bit位都标记为全1，以将该网络拥塞信息携带在数据报文中，一直到接收端，接收端根据被拥塞标记ECN报文的接收频率来调整发送端的速率。
如图1所示，IP报文头部中的DSCP(标签协议标识符)字段有2比特位用于标识ECN。这2个比特位分别表示：ECT(ECN Capable Transport)和CE(Congestion Experienced)。其中，当ECT为0，CE为0时，表示IP报文不支持ECN；当ECT为0，CE为1时，表示IP报文支持ECN；当ECT为1，CE为0时，表示IP报文支持ECN；当ECT为1，CE为1时，表示IP报文支持ECN且发生拥塞。
ECN是报文在网络设备出口发生拥塞时，将使能ECN(当IP报文的ECN字段为01或10，表示使能ECN)的IP报文头部的ECN字段标记ECN＝11，表示该IP报文遇到网络拥塞，且该IP报文不会被WRED(加权随机轮循)机制丢弃。如果接收服务器发现IP报文的ECN字段被标记成11，就立刻产生拥塞通知报文，并将该报文发送给源服务器，拥塞通知消息里包含了拥塞的数据流信息，远端服务器接收到后，通过降低相应的数据流发送速率，缓解网络设备拥塞，从而避免发生丢包。
如图2所示，ECN的交互过程描述为：发送端发送IP报文标记ECN(ECN＝10)，交换机在队列拥塞的情况下收到该报文，将ECN字段修改为11并转发出去；接收服务器收到ECN为11的报文发送拥塞通知报文，并正常处理该报文；接收端产生拥塞通告，周期发送协议报文；交换机收到协议报文后正常转发该报文；发送服务器收到协议报文，执行相应的数据流限速算法，调整发送端的速率。
但是，上述通过ECN来检测拥塞，主要存在以下两个问题，一是数据流报文的ECN字段只有2个比特位，无法描述精细粒度的拥塞程度；二是当报文被标记ECN后，接收端判断网络发生拥塞只局面在有无，而无法精确到沿途转发的交换机中哪几台发生了拥塞。所以，现有基于ECN机制对网络拥塞进行检测的方案，无法实现精细粒度的网络拥塞的检测，以及无法实现逐跳的网络拥塞检测。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种网络拥塞检测方法及装置。
为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：一种网络拥塞检测方法，包括：
S100，发送端发送数据报文给转发的首节点，在所述首节点使能网络拥塞检测，且将首节点的拥塞标识信息插入数据报文中，随数据报文携带至下一节点；
S200，除首节点外的中间节点和尾节点，至少部分节点逐跳在数据报文中插入自身的拥塞标识信息；
S300，所述尾节点将携带有拥塞标识信息的数据报文发送给接收端，所述接收端将所有的拥塞标识信息反馈回发送端；
S400，所述发送端根据反馈的拥塞标识信息，调整数据报文的相应参数，所述参数包括发送速率。
优选地，所述拥塞标识信息通过虚拟局域网标签携带。
优选地，所述首节点插入第一VLAN标签和第二VLAN标签，所述第一VLAN标签用于标识是否使能网络拥塞检测，所述第二VLAN标签用于承载所述拥塞标识信息，插入的所述第一VLAN标签和第二VLAN标签随数据报文携带到下一节点。
优选地，所述中间节点或尾节点根据所述第一VLAN标签判断是否继续插入第二VLAN标签，若插入，则在数据报文中继续插入承载有自身拥塞标识信息的第二VLAN标签。
优选地，所述第一VLAN标签中的字段至少包括Init ID、Hop字段及Flow ID字段，所述Init ID为VLAN扩展自定义数值，所述Hop字段表示已插入的VLAN标签数量，所述Hop字段在数据报文转发时逐跳加1；所述Flow ID字段用于标识使能网络拥塞检测的数据报文。
优选地，所述第二VLAN标签至少包括转发时延字段、队列深度字段，所述转发时延字段、队列深度字段用于分别标识数据报文的转发时延及队列深度。
优选地，所述第二VLAN标签还包括BW字段和B字段，所述BW字段用于表示出端口的带宽，所述B字段用于标识所增加的第二VLAN标签是否是最后一个VLAN标签，所述B字段根据第一VLAN标签中的Hop字段设置，当所述B字段标识所增加的第二VLAN标签是最后一个VLAN标签时，下一节点不再插入第二VLAN标签。
优选地，所述首节点插入拥塞标识信息的过程包括：
S101，首节点处理所述数据报文，得到拥塞信息编辑所需的第一报文信息，所述第一报文信息至少包括Flow ID、转发时延、队列深度；
S102，根据所述第一报文信息在首节点插入所述第一VLAN标签和第二VLAN标签。
优选地，所述中间节点或尾节点插入拥塞标识信息的过程包括：
S201，中间节点或尾节点处理所述数据报文，得到拥塞信息编辑所需的第二报文信息，所述第二报文信息至少包括转发时延、队列深度及第一VLAN标签中的信息；
S202，根据所述第二报文信息在中间节点或尾节点插入所述第二VLAN标签，并更新第一VLAN标签中的信息。
本发明还揭示了另外一种技术方案：一种网络拥塞检测装置，所述装置包括：
发送端，用于发送数据报文给转发的首节点，并根据接收端反馈的拥塞标识信息，调整数据报文的相应参数，所述参数包括发送速率；
首节点，用于使能网络拥塞检测，且将首节点的拥塞标识信息插入数据报文中，随数据报文携带至下一节点；
中间节点和尾节点，至少部分节点用于逐跳在数据报文中插入自身的拥塞标识信息，所述尾节点将携带有拥塞标识信息的数据报文发送给接收端；
接收端，用于将所有的拥塞标识信息反馈回发送端。
本发明的有益效果是：本发明通过将交换芯片数据报文的转发时延，队列深度等信息，作为拥塞标识信息，并通过VLAN扩展字段来承载这些拥塞标识信息，沿途交换机逐跳增加VLAN扩展字段来携带网络拥塞标识信息，从而满足从发送端到接收端逐跳的网络拥塞检测，实现精细粒度的网络拥塞的检测以及实现逐跳的网络拥塞检测。
附图说明
图1是现有IP报文首部的报文格式示意图；
图2是本发明网络拥塞检测方法的流程示意图；
图3是本发明网络拥塞检测装置的原理示意图；
图4是本发明两层VLAN标签的格式示意图；
图5是本发明转发节点对数据报文的处理流程示意图；
图6是本发明首节点对数据报文的处理流程示意图；
图7是本发明中间节点或尾节点对数据报文的处理流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。
本发明所揭示的一种网络拥塞检测方法及装置，解决现有基于ECN机制对网络拥塞检测无法实现精细粒度检测，以及无法实现逐跳的网络拥塞检测的问题。
结合图2和图3所示，本发明所揭示的一种网络拥塞检测方法，包括以下步骤：
S100，发送端发送数据报文给转发的首节点，在首节点使能网络拥塞检测，且将首节点的拥塞标识信息插入数据报文中，随数据报文携带至下一节点。
具体地，结合图5和图6所示，本实施例中，首节点插入拥塞标识信息的过程包括：
S101，首节点接收到数据报文，首先进行报文解析处理，在其解析模块获取报文信息，报文信息包括目的MAC地址(MACDA)，源MAC地址(MACSA)，目的IP地址(IPDA)，源IP地址(IPSA)，三层协议类型(L3 Protocol Type)，L4源端口号，L4目的端口号等。并将解析获得的这些报文信息携带到后续的处理流程中。
S102，在首节点的入方向转发处理模块中，根据上述报文信息(具体如根据数据报文的五元组信息：源IP地址，目的IP地址，源端口，目的端口，协议类型)生成唯一的FlowID，Flow ID用于标识使能网络拥塞检测的数据报文，并将该数据报文的Flow ID携带到后续的处理流程中。
S103，在首节点的入方向时延标记模块，芯片会根据上述Flow ID记录该数据报文的入方向转发时延，并携带到后续的处理流程，用于计算出该数据报文在该芯片整体的转发时延。
S104，在首节点的队列调度模块，芯片会执行队列深度检测功能，记录该数据报文所在队列当前的深度，转化为队列缓存占用的百分比，并将该队列深度信息携带到后续的处理流程。
S105，在首节点的出方向时延标记模块，芯片会根据Flow ID记录该数据报文的出方向转发时延，通过出方向转发时延减去入方向转发时延，计算出该数据报文在芯片整体转发时延，并将该数据报文的转发时延用于报文拥塞信息编辑。
S106，在首节点的报文编辑模块，会执行网络拥塞信息的编辑。具体根据上述步骤得到的该数据报文的转发时延，队列深度，以及出端口的带宽等信息，在数据报文中插入两层扩展VLAN标签，结合图4所示，第一层是第一VLAN标签，为引导VLAN标签，用于标识是否使能网络拥塞检测。本发明考虑到在实际网络部署时，沿途的节点都需要开启该网络拥塞检测功能，所以本发明采用VLAN Tag(虚拟局域网标签)来携带网络拥塞标识信息。VLAN作为传统二层转发功能，芯片支持很完善，扩展使用难度低。本发明充分考虑到对芯片设计尽可能降低支持难度，同时为了降低报文序列号的开销占比，在标准VLAN定义的基础上充分利用已有的芯片能力，并最小程度来扩展VLAN使得芯片具备逐跳网络拥塞检测能力。
本实施例中，第一VLAN标签中的字段至少包括预留的Init ID、Hop字段及Flow ID字段，其中，Init ID为VLAN扩展自定义数值，用于预留特定的数值，标识该数据报文是否使能了拥塞检测功能，后续的中间节点或尾节点根据Init ID判断是否插入VLAN标签。Hop字段表示已插入的VLAN标签数量，在首节点中，Hop字段的初始值可设为1，本实施例设置最大的VLAN标签插入数量不超过8，即Hop字段的最大值为8，当然不限于数量8，可根据实际情况设置，若Hop字段值大于8，则后续的中间节点或尾节点则不继续插入VLAN标签。且在沿途的中间节点和尾节点逐跳插入扩展的VLAN标签时，会对第一VLAN标签中的Hop字段进行加1操作。Flow ID字段在上述步骤S102的入方向转发处理模块中已生成。
第二层VLAN标签用于承载拥塞标识信息，具体包括转发时延(Latency)字段、BW字段、B字段和队列深度(QLen)字段，其中，转发时延字段用于转发时延的测量，用于承载上述数据报文在首节点中整体(即从入端口到出端口)的转发时延信息。本实施例中，Latency字段长度为16bit，默认单位为512ns，默认能测量的最大转发时延为65535*512ns＝32us，默认时延测量单位可灵活配置，比如可配置成256ns，或者1us等。BW字段用于表示出端口的带宽，长度为3比特位，即最大能区分8种不同速率的端口带宽，分别支持1G，10G，25G，40G，100G，200G，400G，800G，当然也限于是3比特位，可根据需要配置。B字段用于标识所增加的第二VLAN标签是否是最后一个VLAN标签，长度为1比特位。在初始状态下B字段为0，当B字段为1时，表示该VLAN是最内层VLAN，即增加的是最后一个VLAN标签，下一节点不再插入第二VLAN标签。B字段是根据第一VLAN标签中的Hop字段设置，当Hop字段达到最大值时，即如达到8时，B字段即设为1。队列深度字段用于分别标识数据报文当前所在的队列深度，具体为所在的队列深度占比。本实施例中，队列深度字段长度为12比特位，最细粒度为1/4096。本发明将数据报文的转发时延以及队列深度，这两个信息作为检测网络拥塞是否发生拥塞和拥塞的严重程度的指标信息，当然，拥塞标识信息可根据实际需要设置，不限于这里所增加的报文信息。
优选地，上述第一VLAN标签和第二VLAN标签的长度相同，且本发明设置两种VLAN标签，可以简化丢包检测机制实现的复杂度。
当完成报文编辑后，从首节点的出端口转发到下一跳网络设备(即中间节点或尾节点)。
S200，除首节点外的中间节点和尾节点，至少部分节点逐跳在数据报文中插入自身的拥塞标识信息。
具体地，本实施例中，结合图5和图7所示，中间节点或尾节点插入拥塞标识信息的过程包括：
S201，中间节点或尾节点接收到数据报文，同样先进行报文解析处理，在其解析模块获取报文信息，报文信息包括目的MAC地址(MACDA)，源MAC地址(MACSA)，目的IP地址(IPDA)，源IP地址(IPSA)，多层VLAN标签(即一层上述第一VLAN标签和至少一层上述第二VLAN标签)等。所以对于中间节点或尾节点芯片，需要增加对自定义的VLAN标签(VLAN Tag)的解析处理过程，逻辑识别自定义的第一VLAN标签中的Init ID字段以及Hop字段，Flow ID字段等，并将解析获取的这些报文信息携带到后续的处理流程中。
S102，在中间节点或尾节点的入方向转发处理模块中，根据解析获得的第一VLAN标签中的Init ID字段是否为VLAN扩展自定义数值，如果为VLAN扩展自定义数值，则表示使能网络拥塞检测功能，然后再检查Hop字段是否超出了最大值，如果不超出，则表示需要继续插入当前节点的拥塞标识信息；若超出，则不需要进行后续的步骤S203～S206，直接将数据报文从当前节点的出端口转发出去。
S203，在中间节点或尾节点的入方向时延标记模块，芯片会根据上述Flow ID记录该数据报文的入方向转发时延，并携带到后续的处理流程，用于计算出该数据报文在该芯片整体的转发时延。
S204，在中间节点或尾节点的队列调度模块，芯片会执行队列深度检测功能，记录该数据报文所在队列当前的深度，转化为队列缓存占用的百分比，并将该队列深度信息携带到后续的处理流程。
S205，在中间节点或尾节点的出方向时延标记模块，芯片会根据Flow ID记录该数据报文的出方向转发时延，通过出方向转发时延减去入方向转发时延，计算出该数据报文在芯片整体转发时延，并将该数据报文的转发时延用于报文拥塞信息编辑。
S206，在中间节点或尾节点的报文编辑模块，会执行网络拥塞信息的编辑。具体根据上述步骤得到的该数据报文的转发时延，队列深度，以及出端口的带宽等信息，在数据报文中插入第二层扩展的VLAN标签，即第二VLAN标签，第二VLAN标签包含的字段及各字段的定义、长度等与上述描述相同，这里不再赘述，只是每个节点中，第二VLAN标签中承载的信息均为当前节点的报文信息(包括转发时延、队列深度、出端口带宽等)。若本跳网络设备为沿途转发路径的最后一跳，还需要将第二VLAN标签中的B字段编辑为1。最后，更新第一VLAN标签中的Hop字段，每插入一个拥塞检测扩展VLAN标签，就需要将Hop字段对应加一。
当完成报文编辑后，从中间节点或尾节点的出端口转发到下一跳网络设备(即下一跳的中间节点或尾节点或接收端)。
S300，尾节点将携带有拥塞标识信息的数据报文发送给接收端，所述接收端将所有的拥塞标识信息反馈回发送端。
S400，发送端根据反馈的拥塞标识信息，调整数据报文的相应参数，所述参数包括发送速率。
对应的，结合图3所示，本发明所揭示的一种网络拥塞检测装置，包括：
发送端，用于发送数据报文给转发的首节点，并根据接收端反馈的拥塞标识信息，调整数据报文的相应参数，所述参数包括发送速率。
首节点，用于使能网络拥塞检测，且将首节点的拥塞标识信息插入数据报文中，随数据报文携带至下一节点。
中间节点和尾节点，至少部分节点用于逐跳在数据报文中插入自身的拥塞标识信息，所述尾节点将携带有拥塞标识信息的数据报文发送给接收端。
接收端，用于将所有的拥塞标识信息反馈回发送端。
其中，发送端、首节点、中间节点、尾节点及接收端对数据报文的处理过程及原理可对应参照上述步骤S100～S400中的描述，这里不做赘述。
本发明通过芯片感知技术将报文在芯片内部的转发时延，报文转发在芯片内部的队列深度等信息，用作为网络拥塞标识信息，并利用VLAN扩展技术将这些拥塞标识信息随着数据报文逐跳携带一直到接收端，实现端到端的网络拥塞精细粒度的检测，以及实现逐跳的网络拥塞检测。
本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。
Claims (12)
1.一种网络拥塞检测方法，其特征在于，所述检测方法包括：
S100，发送端发送数据报文给转发的首节点，在所述首节点使能网络拥塞检测，且将首节点的拥塞标识信息插入数据报文中，随数据报文携带至下一节点；
S200，除首节点外的中间节点和尾节点，至少部分节点逐跳在数据报文中插入自身的拥塞标识信息；
S300，所述尾节点将携带有拥塞标识信息的数据报文发送给接收端，所述接收端将所有的拥塞标识信息反馈回发送端；
S400，所述发送端根据反馈的拥塞标识信息，调整数据报文的相应参数，所述参数包括发送速率。
2.根据权利要求1所述的一种网络拥塞检测方法，其特征在于，所述拥塞标识信息通过虚拟局域网标签携带。
3.根据权利要求2所述的一种网络拥塞检测方法，其特征在于，所述首节点插入第一VLAN标签和第二VLAN标签，所述第一VLAN标签用于标识是否使能网络拥塞检测，所述第二VLAN标签用于承载所述拥塞标识信息，插入的所述第一VLAN标签和第二VLAN标签随数据报文携带到下一节点。
4.根据权利要求3所述的一种网络拥塞检测方法，其特征在于，所述中间节点或尾节点根据所述第一VLAN标签判断是否继续插入第二VLAN标签，若插入，则在数据报文中继续插入承载有自身拥塞标识信息的第二VLAN标签。
5.根据权利要求3所述的一种网络拥塞检测方法，其特征在于，所述第一VLAN标签中的字段至少包括Init ID、Hop字段及Flow ID字段，所述Init ID为VLAN扩展自定义数值，所述Hop字段表示已插入的VLAN标签数量，所述Hop字段在数据报文转发时逐跳加1；所述FlowID字段用于标识使能网络拥塞检测的数据报文。
6.根据权利要求5所述的一种网络拥塞检测方法，其特征在于，所述第二VLAN标签至少包括转发时延字段、队列深度字段，所述转发时延字段、队列深度字段用于分别标识数据报文的转发时延及队列深度。
7.根据权利要求6所述的一种网络拥塞检测方法，其特征在于，所述第二VLAN标签还包括BW字段和B字段，所述BW字段用于表示出端口的带宽，所述B字段用于标识所增加的第二VLAN标签是否是最后一个VLAN标签，所述B字段根据第一VLAN标签中的Hop字段设置，当所述B字段标识所增加的第二VLAN标签是最后一个VLAN标签时，下一节点不再插入第二VLAN标签。
8.根据权利要求3所述的一种网络拥塞检测方法，其特征在于，所述首节点插入拥塞标识信息的过程包括：
S101，首节点处理所述数据报文，得到拥塞信息编辑所需的第一报文信息，所述第一报文信息至少包括FlowID、转发时延、队列深度；
S102，根据所述第一报文信息在首节点插入所述第一VLAN标签和第二VLAN标签。
9.根据权利要求8所述的一种网络拥塞检测方法，其特征在于，所述中间节点或尾节点插入拥塞标识信息的过程包括：
S201，中间节点或尾节点处理所述数据报文，得到拥塞信息编辑所需的第二报文信息，所述第二报文信息至少包括转发时延、队列深度及第一VLAN标签中的信息；
S202，根据所述第二报文信息在中间节点或尾节点插入所述第二VLAN标签，并更新第一VLAN标签中的信息。
10.一种网络拥塞检测装置，其特征在于，所述装置包括：
发送端，用于发送数据报文给转发的首节点，并根据接收端反馈的拥塞标识信息，调整数据报文的相应参数，所述参数包括发送速率；
首节点，用于使能网络拥塞检测，且将首节点的拥塞标识信息插入数据报文中，随数据报文携带至下一节点；
中间节点和尾节点，至少部分节点用于逐跳在数据报文中插入自身的拥塞标识信息，所述尾节点将携带有拥塞标识信息的数据报文发送给接收端；
接收端，用于将所有的拥塞标识信息反馈回发送端。
11.根据权利要求10所述的一种网络拥塞检测装置，其特征在于，所述首节点插入第一VLAN标签和第二VLAN标签，所述第一VLAN标签用于标识是否使能网络拥塞检测，所述第二VLAN标签用于承载所述拥塞标识信息，插入的所述第一VLAN标签和第二VLAN标签随数据报文携带到下一节点。
12.根据权利要求11所述的一种网络拥塞检测装置，其特征在于，所述中间节点或尾节点根据所述第一VLAN标签判断是否继续插入第二VLAN标签，若插入，则在数据报文中继续插入承载有自身拥塞标识信息的第二VLAN标签。
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