CN112995048B - 数据中心网络的阻塞控制与调度融合方法及终端设备 - Google Patents

数据中心网络的阻塞控制与调度融合方法及终端设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种数据中心网络的阻塞控制与调度融合方法及终端设备，包括：获取网络阻塞程度预测数据；获取服务器端数据的实时发送量，结合阻塞程度预测数据，设定数据中心网络中的数据流优先级；将数据流优先级加载到数据包报头中，根据数据包携带的优先级，将数据包放置于交换机端口处缓冲区的不同优先级队列中，按照设定的优先级调度方法进行调度；在交换机端口缓冲区满时，将非空最低优先级队列中的数据包移出队列并将高优先级数据包加入队列中。本发明有效融合了调度和阻塞控制两种机制，提升了网络服务质量。使阻塞窗口能够满足高优先级数据流需求；同时根据数据流的优先级采取有效的丢包策略，使丢包策略满足高优先级数据流要求。

Description

数据中心网络的阻塞控制与调度融合方法及终端设备
技术领域
本发明属于数据中心网络或网络协议技术领域，尤其涉及一种数据中心网络的阻塞控制与调度融合方法及终端设备。
背景技术
数据中心网络作为大型云计算平台中数据传输的重要组成部分，具有吞吐量高、延迟低等特点，其在数据挖掘、网络搜索、分布式机器学习等应用中起到至关重要的作用，为网络应用提供重要保障。
为提高网络应用的服务质量，现有技术主要通过提高数据流吞吐量或者降低数据流的完成时间实现的。降低数据流的完成时间的方法为对数据流进行调度和阻塞控制。但是，在调度机制的优先级设定方案中，现有方案采用最短作业优先或者最短剩余量优先的调度原则。然而在多跳、动态的网络中，不同数据流在网络中的阻塞情况大不相同。因此，仅仅依靠数据流大小作为调度标准，无法适应复杂的动态网络，使得优先级的设定无法达到最优；在阻塞控制机制中，数据流采用统一的方案进行阻塞窗口的调整。然而，从调度的角度看，统一的调整方案无法满足高优先级数据流的需求。此外，现有商用交换机在端口缓冲区中配置多个优先级队列，然而在缓冲区满进行丢包时，没有考虑数据流的优先级，使得高优先级的数据流也会被丢包，极大损伤网络整体性能。
发明内容
有鉴于此，本发明实例提供了一种数据中心网络的阻塞控制与调度融合方法，以解决现有方法存在的提高网络服务质量效果不佳的技术问题。
本发明实例提供了一种数据中心网络的阻塞控制与调度融合方法，包括：
获取网络的阻塞程度预测数据；
获取服务器端数据的实时发送量，结合阻塞程度预测数据，设定数据中心网络中的数据流优先级；
将所述数据流优先级加载到数据包的报头中，根据数据包携带的优先级，将数据包放置于交换机端口处缓冲区的不同优先级队列中，按照设定的优先级调度方法进行调度。
优选地，获取网络的阻塞程度预测数据，具体为：
设定所述交换机端口处缓冲区的总队列长度阈值；
获取当前所述缓冲区内的总队列长度和待交换机接收的数据包；
若当前所述缓冲区内的总队列长度大于所述阈值时，对待交换机接收的数据包进行阻塞标记；
当数据接收端收到被标记的数据包后，将返回的ACK包也进行标记。
数据发送端获取返回的被标记的ACK包的比例F，根据F计算网络的阻塞程度预测数据α。
优选地，网络的阻塞程度预测数据α的计算公式为：
α＝(1-g)×α+g×F
式中，g＝0.0625，F为数据发送端获取返回的被标记的ACK包的比例。
优选地，获取服务器端数据的实时发送量，结合阻塞程度预测数据，设定数据中心网络中的数据流优先级，具体为：
获取服务器端数据的实时发送量，结合阻塞程度预测数据，计算数据流的预计剩余传输时间；
将数据流的预计剩余传输时间与预先设定的N-1个不同的优先级阈值进行比较，获得数据流的优先级。
优选地，可以用已传输数据量预测剩余数据量，因此计算数据流的预计剩余传输时间，具体为：
R＝Bytes_sent/L×(1-α)
式中，R为数据流的预计剩余传输时间，Bytes_sent为服务器端数据的实时发送量，L为网络链路总带宽，α为网络的阻塞程度预测数据。
优选地，结合数据流的预计剩余传输时间与预先设定的N-1个不同的优先级阈值进行比较，获得数据流的优先级，具体为：
依据所述交换机端口处缓冲区最多可设置的队列N，设定0到N-1的N个优先级；
设定N-1个优先级的阈值Ti，i∈[1,N-1]；
当R<T1时，设定数据流的优先级为0；
当Ti≤R<Ti+1，i∈[1,N-2]时，设定数据流的优先级为i；
当TN-1≤R时，设定数据流的优先级为N-1。
优选地，还包括，基于所述数据流优先级调整阻塞窗口，调整公式为：
CWND＝CWND×(1-G(α,P)/2)
式中，CWND为当前的阻塞窗口的大小，P为数据流优先级，G(a,P)函数按照L2DCT的方式设定。
优选地，当所述交换机端口处缓冲区已满时，还包括：
选取交换机端口处缓冲区内优先级最低的非空队列，记为非空最低优先级队列；
比较非空最低优先级队列与待交换机接收的数据包的优先级，确定需要丢弃的数据包。
优选地，比较非空最低优先级队列与待交换机接收的数据包的优先级，确定需要丢弃的数据包，具体为：
当待交换机接收的数据包的优先级小于等于非空最低优先级队列的优先级时，丢弃待交换机接收的数据包；
当待交换机接收的数据包的优先级大于非空最低优先级队列的优先级时，将非空最低优先级队列的尾数据包移除队列，将待交换机接收的数据包放置相应的优先级队列中。
本发明还公开了一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
本发明与现有技术相比存在的有益效果是：
本申请有效融合了调度和阻塞控制两种机制，提升了网络的服务质量。在调度机制的优先级设定方案中，使用了服务器端数据的实时发送量、网络的阻塞程度预测数据设定数据流的优先级，可以使得优先级的设定达到最优，并且能够适应复杂的动态网络；同时利用获得的优先级调整阻塞窗口，使阻塞窗口能够满足高优先级数据流的需求。
在缓冲区满时，基于获得的数据流优先级进行丢包操作，不会将高优先级的数据流丢弃，保证了网络的整体性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的数据中心网络的阻塞控制与调度融合方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的数据中心网络的阻塞控制与调度融合方法的整体流程图；
图3是本发明的数据中心网络的阻塞控制与调度融合方法的原理示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
图1为本发明的数据中心网络的阻塞控制与调度融合方法的流程图。
本发明的数据中心网络的阻塞控制与调度融合方法，包括：
步骤1、获取网络的阻塞程度预测数据，具体为：
设定交换机端口处缓冲区的总队列长度阈值；
获取当前缓冲区内的总队列长度和待交换机接收的数据包；
若当前缓冲区内的总队列长度大于阈值时，对待交换机接收的数据包进行阻塞标记，即ECN标记：将数据包报头的ECN字段设置为1，当数据包到达数据接收端时，如果数据包的ECN字段被标记，则数据接收端将返回的ACK报文的相应字段进行标记。数据发送端统计阻塞窗口对应的ACK被标记的比例F；
数据发送端获取返回的被标记的ACK包的比例F，根据F计算网络的阻塞程度预测数据α。
网络的阻塞程度预测数据α的计算公式为：
α＝(1-g)×α+g×F
式中，g＝0.0625，F为数据发送端接收到的被标记的ACK包的比例。
步骤2、获取服务器端数据的实时发送量，结合阻塞程度预测数据，设定数据中心网络中的数据流优先级，具体为：
获取服务器端数据的实时发送量，可以用已传输数据量预测剩余数据量，结合阻塞程度预测数据，计算数据流的预计剩余传输时间R：
R＝Bytes_sent/L×(1-α)
式中，R为数据流的预计剩余传输时间，Bytes_sent为服务器端数据的实时发送量，L为网络链路总带宽，α为交换机端口处的阻塞程度预测数据。
然后将数据流的预计剩余传输时间与预先设定的N-1个不同的优先级阈值进行比较，获得数据流的优先级，具体为：
依据交换机端口处缓冲区最多可设置的队列N，设定0到N-1的N个优先级；
设定N-1个优先级的阈值Ti，i∈[1,N-1]；
当R<T1时，设定数据流的优先级为0；
当Ti≤R<Ti+1，i∈[1,N-2]时，设定数据流的优先级为i；
当TN-1≤R时，设定数据流的优先级为N-1。
其中优先级为0的数据流，其优先级最高。
步骤3、将数据流优先级加载到数据包的报头中，根据数据包携带的优先级，将数据包放置于交换机端口处缓冲区的不同优先级队列中，按照设定的优先级调度方法进行调度。其中，设定的优先级调度方法为现有技术，可选用先调度优先级最高的数据流，然后依次按照优先级调度其他数据流的方式。
图2为包含阻塞控制以及丢包操作的调度方法的整体流程图。
数据中心网络不可避免的会存在阻塞的情况，需要进行阻塞控制，进而利用调度方法降低阻塞情况。本申请的阻塞窗口调整是在步骤2所设定的数据流优先级的基础上进行的，步骤2之后还包括步骤4：调整阻塞窗口。
本申请的基于数据流优先级调整阻塞窗口，调整公式为：
CWND＝CWND×(1-G(α,P)/2)
式中，CWND为当前的阻塞窗口的大小，P表示优先级，G(a,P)函数按照L2DCT的方式设定。
本发明对于不同优先级的数据流采取不同程度的阻塞控制，使得相同网络阻塞的情况下，高优先级的数据流的阻塞窗口减少的程度较小，而低优先级的数据流的阻塞窗口减小的程度较大。
在交换机端口缓冲区中，当总队列长度达到缓冲区大小即缓冲区被占满时，需要进行丢包操作，本申请的丢包操作是在步骤2所设定的数据流优先级的基础上进行的，步骤2之后还包括步骤5：基于数据流的优先级，将最低非空优先级队列中的数据包丢弃，将高优先级的数据包加入到缓冲区的相应队列中，避免高优先级的数据被丢弃，从而提高网络的稳定性，具体为：
当交换机端口处缓冲区已满时，还包括：
选取交换机端口处缓冲区内优先级最低的非空队列，记为非空最低优先级队列；
比较非空最低优先级队列与待交换机接收的数据包的优先级，确定需要丢弃的数据包，具体为：
当待交换机接收的数据包的优先级小于等于非空最低优先级队列的优先级时，丢弃待交换机接收的数据包；
当待交换机接收的数据包的优先级大于非空最低优先级队列的优先级时，将非空最低优先级队列的尾数据包移除队列，将待交换机接收的数据包放置相应的优先级队列中。
本发明还公开了一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述方法的步骤。
图3为本发明的数据中心网络的阻塞控制与调度融合方法的原理示意图。
由图3可知，本发明有效融合了调度和阻塞控制两种机制。在现有的阻塞控制机制中，基于阻塞程度预测数据，设定调度机制的优先级，再利用该优先级分别进行调度、阻塞窗口调整及丢包。本申请完美融合了调度及阻塞控制两种机制，提升了网络的服务质量。在调度机制的优先级设定方案中，使用了服务器端数据的实时发送量、网络的阻塞程度预测数据设定数据流的优先级，可以使得优先级的设定达到最优，并且能够适应复杂的动态网络；同时利用获得的优先级调整阻塞窗口，使阻塞窗口能够满足高优先级数据流的需求。
在缓冲区满时，基于获得的数据流优先级进行丢包操作，不会将高优先级的数据流丢弃，保证了网络的整体性能。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种数据中心网络的阻塞控制与调度融合方法，其特征在于，包括：
获取网络的阻塞程度预测数据；
获取服务器端数据的实时发送量，结合阻塞程度预测数据，设定数据中心网络中的数据流优先级；
将所述数据流优先级加载到数据包的报头中，根据数据包携带的优先级，将数据包放置于交换机端口处缓冲区的不同优先级队列中，按照设定的优先级调度方法进行调度；
获取服务器端数据的实时发送量，结合阻塞程度预测数据，设定数据中心网络中的数据流优先级，具体为：
获取服务器端数据的实时发送量，结合阻塞程度预测数据，计算数据流的预计剩余传输时间；
将数据流的预计剩余传输时间与预先设定的N-1个不同的优先级阈值进行比较，获得数据流的优先级；
其中，使用已传输数据量预测剩余数据量，计算数据流的预计剩余传输时间，具体为：
Figure FDA0004090134870000011
式中，R为数据流的预计剩余传输时间，Bytes_sentt为服务器端数据的实时发送量，L为网络链路总带宽，α为网络的阻塞程度预测数据。
2.如权利要求1所述的数据中心网络的阻塞控制与调度融合方法，其特征在于，获取网络的阻塞程度预测数据，具体为：
设定所述交换机端口处缓冲区的总队列长度阈值；
获取当前所述缓冲区内的总队列长度和待交换机接收的数据包；
若当前所述缓冲区内的总队列长度大于所述阈值时，对待交换机接收的数据包进行阻塞标记；
当数据接收端收到被标记的数据包后，将返回的ACK包也进行标记；
数据发送端获取返回的被标记的ACK包的比例F，根据F计算网络的阻塞程度预测数据α。
3.如权利要求2所述的数据中心网络的阻塞控制与调度融合方法，其特征在于，网络的阻塞程度预测数据α的计算公式为：
α＝(1-g)×α+g×F
式中，g＝0.0625，F为数据发送端接收到的被标记的ACK包的比例。
4.如权利要求3所述的数据中心网络的阻塞控制与调度融合方法，其特征在于，结合数据流的预计剩余传输时间与预先设定的N-1个不同的优先级阈值进行比较，获得数据流的优先级，具体为：
依据所述交换机端口处缓冲区最多可设置的队列N，设定0到N-1的N个优先级；
设定N-1个优先级的阈值Ti，i∈[1,N-1]；
当R<T1时，设定数据流的优先级为0；
当Ti≤R<Ti+1，i∈[1,N-2]时，设定数据流的优先级为i；
当TN-1≤R时，设定数据流的优先级为N-1。
5.如权利要求4所述的数据中心网络的阻塞控制与调度融合方法，其特征在于，还包括，基于所述数据流优先级调整阻塞窗口，调整公式为：
CWND＝CWND×(1-G(α,P)/2)
式中，CWND为当前的阻塞窗口的大小，P为数据流优先级，G(a,P)函数按照L2DCT的方式设定。
6.如权利要求1～5任一项所述的数据中心网络的阻塞控制与调度融合方法，其特征在于，当所述交换机端口处缓冲区已满时，还包括：
选取交换机端口处缓冲区内优先级最低的非空队列，记为非空最低优先级队列；
比较非空最低优先级队列与待交换机接收的数据包的优先级，确定需要丢弃的数据包。
7.如权利要求6所述的数据中心网络的阻塞控制与调度融合方法，其特征在于，比较非空最低优先级队列与待交换机接收的数据包的优先级，确定需要丢弃的数据包，具体为：
当待交换机接收的数据包的优先级低于等于非空最低优先级队列的优先级时，丢弃待交换机接收的数据包；
当待交换机接收的数据包的优先级高于非空最低优先级队列的优先级时，将非空最低优先级队列的尾数据包移除队列，将待交换机接收的数据包放置相应的优先级队列中。
8.一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述方法的步骤。
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