CN113938434A - 大规模高性能RoCEv2网络构建方法和系统 - Google Patents

大规模高性能RoCEv2网络构建方法和系统 Download PDF

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CN113938434A CN202111188130.9A CN202111188130A CN113938434A CN 113938434 A CN113938434 A CN 113938434A CN 202111188130 A CN202111188130 A CN 202111188130A CN 113938434 A CN113938434 A CN 113938434A
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张琦周
赵世振
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Abstract

本发明提供了一种大规模高性能RoCEv2网络构建方法和系统，包括：步骤1：构造虚拟Clos网络；步骤2：基于虚拟Clos网络，计算处于第一层任意两个虚拟交换机之间的路径，并对路径进行压缩、去重；步骤3：对任意两个物理交换机之间的流量进行负载均衡，从而得到预期网络。本发明找到的路由不包含环路，因此在本发明的网络架构中服务RoCEv2流量时能够避免PFC‑deadlock。此外，相较于基于k‑edge‑disjoint‑spanning‑trees的无环路由，本发明能够找到更多的路径，而且路径的平均长度也更短，所以采用本发明的网络性能更好。

Description

大规模高性能RoCEv2网络构建方法和系统
技术领域
本发明涉及计算机技术领域，具体地，涉及一种大规模高性能RoCEv2网络构建方法和系统。
背景技术
随着Online Internet Service和云计算的快速增长，大型互联网服务提供商在它们的商用Ethernet Clos数据中心部署了RDMA over Ethernet Commodity(RoCEv2)，用来服务于时延敏感型和高吞吐的应用程序。得益于RoCEv2基于UDP的传输机制，RoCEv2能够适配现存的Ethernet数据中心而不用购买专用的设备。高性能RoCEv2需要保证underlaynetwork无损，因此PFC被用于保证网络无损。但是PFC引起的死锁给RoCEv2的大规模部署带来了安全挑战。由于Clos数据中心的分层结构，Clos网络中采用的up-down路由可以通过适当的安全机制防止死锁发生。然而，随着数据中心流量和网络带宽的不断增加，构建Clos网络的成本越来越高。为了降低网络成本和提高性能，一些基于expander graph的数据中心架构诸如Xpander、SlimFly、Jellyfish被提出。基于expander graph的数据中心架构被叫做expander数据中心。
当服务TCP流量时，expander数据中心的性能已被证明比Clos数据中心更优越。那么，一个自然的问题出现了，对于RDMA流量，expander数据中心能否胜过Clos数据中心？与TCP不同，原始的RDMA被设计用于无损网络。为了在数据中心环境中部署RDMA，需要启用PFC以保证无损网络。不幸的是，PFC引入了许多性能问题，如PFC风暴、PFC死锁和流量不公平。具体而言，网络中存在的路由环路会在流量陷入循环时产生循环缓冲区依赖，从而导致死锁。
专利文献CN104995537A(申请号：CN201380069132.3)公开了一种可以动态地改变其角色的交换Clos网络通用元件。该通用元件包括在电光芯片顶部上的VCSEL矩阵和光电二极管矩阵。VCSEL矩阵经由第一组光学链路传输数据，并且光电二极管矩阵经由第二组光学链路接收数据。通用元件还通过电子链路来接收和传输数据。所述通用元件在折叠Clos网络中还起到扩展器、聚合器或传输交换机的作用。
Clos网络中的采用的up-down路由被证明是无环的。相比之下，expander数据中心常用的路由策略，例如ECMP或K-shortest-path，可能包含环路。在expander数据中心中使用ECMP和K-shortest-path来服务RDMA流量，可能会产生死锁。为了避免死锁，一些研究者提出可以将物理通道拆分为虚拟通道(VC)组以打破路由循环。这种方法可能需要大量VC或优先级。然而，数据中心交换机只能支持两个或三个无损优先级。此外，另一些研究者提出基于Edge-Disjoint-Spanning-Tree(EDST)的路由算法也可以在expander数据中心中避免死锁。但是，基于EDST的路由不能有效利用网络资源：1)路径数量少；2)平均路径长度大；3)部分网络链接可能处于空闲状态。因此，使用EDST路由expander数据中心的性能可能很差。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种大规模高性能RoCEv2网络构建方法和系统。
根据本发明提供的大规模高性能RoCEv2网络构建方法，包括：
步骤1：构造虚拟Clos网络；
步骤2：基于虚拟Clos网络，计算处于第一层任意两个虚拟交换机之间的路径，并对路径进行压缩、去重；
步骤3：对任意两个物理交换机之间的流量进行负载均衡，从而得到预期网络。
优选的，所述步骤1包括：
步骤1.1：对每一个物理交换机，有h个端口连接到主机，有s个端口连接到交换机，将每一个交换机s个端口划分成k组，每一组视为一个虚拟交换机，第i个虚拟交换机属于第i个虚拟层，其中，h、s、k、i均为大于1的自然数；
步骤1.2：对于每一层虚拟交换机，连线的规则是任一层的虚拟交换机只能连接其相邻层的虚拟交换机，连接的两个虚拟交换机不能属于同一个物理交换机。
优选的，所述步骤2包括：
步骤2.1：给定物理网络的拓扑连接图，并转换成虚拟层级的Clos网络；
步骤2.2：利用动态规划计算到虚拟一层所有节点到其它层虚拟节点的上行路径，得到上行路径图；
步骤2.3：设有虚拟一层的源节点和目的节点，遍历第二层至第k层所有虚拟节点，基于上行路径图，得到源节点到虚拟节点、目的节点到虚拟节点的上行路径，将目的节点到虚拟节点路径进行翻转，得到虚拟节点到目的节点的路径，拼接源节点到虚拟节点、虚拟节点到目的节点的路径，最后得到源节点到目的节点的虚拟路径；
步骤2.4：将计算出的虚拟路径，映射每一个虚拟交换机节点到物理交换机上，去除路径中重复的物理交换机节点；
步骤2.5：去除任意两交换机对之间的重复路径；
步骤2.6：对于任意物理交换机对，重复执行步骤2.3～步骤2.5，计算出任意两个交换机对之间的路由。
优选的，所述步骤3包括：对于任意两个交换机对之间的流量，转发预设比例的流量到最短路径上，将剩余的流量转发到非最短路径上，通过调节流量转发的比例得到最优性能。
优选的，所述流量在最短路径间和非最短路径间，使用散列函数进行负载均衡。
根据本发明提供的大规模高性能RoCEv2网络构建系统，包括：
模块M1：构造虚拟Clos网络；
模块M2：基于虚拟Clos网络，计算处于第一层任意两个虚拟交换机之间的路径，并对路径进行压缩、去重；
模块M3：对任意两个物理交换机之间的流量进行负载均衡，从而得到预期网络。
优选的，所述模块M1包括：
模块M1.1：对每一个物理交换机，有h个端口连接到主机，有s个端口连接到交换机，将每一个交换机s个端口划分成k组，每一组视为一个虚拟交换机，第i个虚拟交换机属于第i个虚拟层，其中，h、s、k、i均为大于1的自然数；
模块M1.2：对于每一层虚拟交换机，连线的规则是任一层的虚拟交换机只能连接其相邻层的虚拟交换机，连接的两个虚拟交换机不能属于同一个物理交换机。
优选的，所述模块M2包括：
模块M2.1：给定物理网络的拓扑连接图，并转换成虚拟层级的Clos网络；
模块M2.2：利用动态规划计算到虚拟一层所有节点到其它层虚拟节点的上行路径，得到上行路径图；
模块M2.3：设有虚拟一层的源节点和目的节点，遍历第二层至第k层所有虚拟节点，基于上行路径图，得到源节点到虚拟节点、目的节点到虚拟节点的上行路径，将目的节点到虚拟节点路径进行翻转，得到虚拟节点到目的节点的路径，拼接源节点到虚拟节点、虚拟节点到目的节点的路径，最后得到源节点到目的节点的虚拟路径；
模块M2.4：将计算出的虚拟路径，映射每一个虚拟交换机节点到物理交换机上，去除路径中重复的物理交换机节点；
模块M2.5：去除任意两交换机对之间的重复路径；
模块M2.6：对于任意物理交换机对，重复调用模块M2.3～模块M2.5，计算出任意两个交换机对之间的路由。
优选的，所述模块M3包括：对于任意两个交换机对之间的流量，转发预设比例的流量到最短路径上，将剩余的流量转发到非最短路径上，通过调节流量转发的比例得到最优性能。
优选的，所述流量在最短路径间和非最短路径间，使用散列函数进行负载均衡。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)相比于Clos架构的数据中心，本发明能够在同等成本的情况下提供更好的网络性能；
(2)本发明提出的路由算法能够避免在RoCEv2 expander数据中心使用ECMP、K-shortest-path路由存在的PFC-deadlock的风险；
(3)相比于同样deadlock-free的EDST路由，本发明能够找到更多的路径，而且路径的平均长度也更短，因此本方案在average per-flow throughput、flow completiontime这两个指标上面表现得更好，采用本发明的网络性能更好。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为把多个物理交换机看成多个虚拟交换机举例图；
图2为把这些虚拟交换机进行连接，构造虚拟Clos网络的示例图；
图3为本发明系统运行流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例：
根据本发明提供的一种高性能的RoCEv2的大规模集群设计方法，包括：
步骤1：构造k层虚拟Clos网络；
步骤2：基于上述的虚拟Clos网络，计算处于第一层任意两个虚拟交换机之间的路径，并对路径进行压缩、去重；
步骤3：对任意两个物理交换机之间的流量进行负载均衡。
具体地，所述步骤1包括：
步骤1.1：给定N个物理交换机，记作S1,S2,...,SN。每个物理交换机有p个端口，其中h个端口连接到服务器，s个端口连接到交换机，显然p＝s+h。对于物理交换机Si，1≤i≤N，将其划分成k个虚拟交换机记作
Figure BDA0003300124690000051
显然对于单个物理交换机划分出的k个虚拟机的端口总数应该满足物理约束s。每个虚拟交换机
Figure BDA0003300124690000052
都属于一个virtuallayer-j，图1给出了一个划分虚拟交换机的实例。
步骤1.2：对于属于virtual layer-j的虚拟交换机，2≤j≤k-1，它可以随机连接到第j-1层或则j+1层的虚拟交换机。同属于同一个物理交换机的虚拟交换机本质上是相互连接的，因此不必再连接。对于每个虚拟交换机，同属于相同物理交换机的虚拟交换机使用虚线进行连接，这代表它们本身就是连接的(因为它们本质上就是一个交换机，所以不需要建立连接)；对于属于不同物理交换机的两个虚拟交换机之间使用实线连接(它们需要实际地建立连接)。需要注意的是，只在相邻层之间的虚拟交换机建立连接。图2展示了虚拟Clos网络的一种结构(可能随着连线的随机性而变得不同)。
具体的，所述步骤2包括：
步骤2.1：给定物理网络的拓扑连接图，物理拓扑单个连接存储格式为(交换机1的ID，交换机2的ID，交换机1的端口ID，交换机2的端口ID)，这个四元组表示这两个交换机在对应的端口号有连接。定义一个二维数组A存储虚拟Clos网络的连接关系A[i][j]表示虚拟节点i、j有连接关系，1≤i、j≤k*N。进行转换时有两步1)转换属于同一个物理交换机的虚拟交换机之间的连接；2)转化不同物理交换机之间的连接，首先将两个交换机根据端口连接映射到相应的虚拟交换机，然后将A中相应的位置置一；
步骤2.2：给定转换后的虚拟Clos网络A，定义up-path map
Figure BDA0003300124690000053
键为
Figure BDA0003300124690000054
Figure BDA0003300124690000055
代表
Figure BDA0003300124690000056
到
Figure BDA0003300124690000057
的路径。利用动态规划计算出
Figure BDA0003300124690000058
的值；
步骤2.3：给定任意两个虚拟一层的节点
Figure BDA0003300124690000059
假设
Figure BDA00033001246900000510
为源节点，
Figure BDA00033001246900000511
为目的节点。遍历第二层至第k层所有虚拟节点，基于M2.2计算出的up-pathmap
Figure BDA00033001246900000512
可以得到
Figure BDA00033001246900000513
到
Figure BDA00033001246900000514
Figure BDA00033001246900000515
到
Figure BDA00033001246900000516
的up-path，将
Figure BDA00033001246900000517
到
Figure BDA00033001246900000518
的路径进行翻转，得到
Figure BDA00033001246900000519
到
Figure BDA00033001246900000520
的路径，拼接
Figure BDA00033001246900000521
到
Figure BDA00033001246900000522
Figure BDA00033001246900000523
到
Figure BDA00033001246900000524
的路径，最终得
Figure BDA00033001246900000525
到
Figure BDA00033001246900000526
的路径；
步骤2.4：基于步骤2.3计算出的虚拟路径，映射每一个虚拟交换机节点到物理交换机上，去除路径中重复的物理交换机节点得到实际的物理路径。具体示例图2：
Figure BDA0003300124690000061
到
Figure BDA0003300124690000062
的一条虚拟路径为
Figure BDA0003300124690000063
Figure BDA0003300124690000064
本质上为同一个物理交换机S1，
Figure BDA0003300124690000065
Figure BDA0003300124690000066
本质上为同一个物理交换机S2，所以
Figure BDA0003300124690000067
到
Figure BDA0003300124690000068
的物理路径就被简化为S1-S2；
步骤2.5：对所有遍历到的虚拟路径按照步骤2.4进行处理，之后，去除重复的路径，得到某一个物理交换机对之间的路由；
步骤2.6：对于任意物理交换机对，重复步骤2.3～步骤2.5，计算出任意两个交换机之间的路由。
具体的，所述步骤3包括：对于任意两个交换机对之间的流量，转发50％(非固定值，是可调节的，55％、60％等都可以，实际部署时可以调节该参数去获得最优的性能)的流量到最短路径上，剩余的流量会被转发到非最短路径上。所述流量在最短路径之间使用散列函数进行负载均衡，在非最短路径间也是基于散列函数进行负载均衡。
如图3，根据本发明提供的大规模高性能RoCEv2网络构建系统，包括：模块M1：构造虚拟Clos网络；模块M2：基于虚拟Clos网络，计算处于第一层任意两个虚拟交换机之间的路径，并对路径进行压缩、去重；模块M3：对任意两个物理交换机之间的流量进行负载均衡，从而得到预期网络。
所述模块M1包括：模块M1.1：对每一个物理交换机，有h个端口连接到主机，有s个端口连接到交换机，将每一个交换机s个端口划分成k组，每一组视为一个虚拟交换机，第i个虚拟交换机属于第i个虚拟层；模块M1.2：对于每一层虚拟交换机，连线的规则是任一层的虚拟交换机只能连接其相邻层的虚拟交换机，连接的两个虚拟交换机不能属于同一个物理交换机。
所述模块M2包括：模块M2.1：给定物理网络的拓扑连接图，并转换成虚拟层级的Clos网络；模块M2.2：利用动态规划计算到虚拟一层所有节点到其它层虚拟节点的上行路径，得到上行路径图；模块M2.3：设有虚拟一层的源节点和目的节点，遍历第二层至第k层所有虚拟节点，基于上行路径图，得到源节点到虚拟节点、目的节点到虚拟节点的上行路径，将目的节点到虚拟节点路径进行翻转，得到虚拟节点到目的节点的路径，拼接源节点到虚拟节点、虚拟节点到目的节点的路径，最后得到源节点到目的节点的虚拟路径；模块M2.4：将计算出的虚拟路径，映射每一个虚拟交换机节点到物理交换机上，去除路径中重复的物理交换机节点；模块M2.5：去除任意两交换机对之间的重复路径；模块M2.6：对于任意物理交换机对，重复调用模块M2.3～模块M2.5，计算出任意两个交换机对之间的路由。
所述模块M3包括：对于任意两个交换机对之间的流量，转发50％(非固定值，是可调节的，55％、60％等都可以，实际部署时可以调节该参数去获得最优的性能)的流量到最短路径上，剩余的流量会被转发到非最短路径上。所述流量在最短路径之间使用散列函数进行负载均衡，在非最短路径间也是基于散列函数进行负载均衡。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种大规模高性能RoCEv2网络构建方法，其特征在于，包括：
步骤1：构造虚拟Clos网络；
步骤2：基于虚拟Clos网络，计算处于第一层任意两个虚拟交换机之间的路径，并对路径进行压缩、去重；
步骤3：对任意两个物理交换机之间的流量进行负载均衡，从而得到预期网络。
2.根据权利要求1所述的大规模高性能RoCEv2网络构建方法，其特征在于，所述步骤1包括：
步骤1.1：对每一个物理交换机，有h个端口连接到主机，有s个端口连接到交换机，将每一个交换机s个端口划分成k组，每一组视为一个虚拟交换机，第i个虚拟交换机属于第i个虚拟层，其中，h、s、k、i均为大于1的自然数；
步骤1.2：对于每一层虚拟交换机，连线的规则是任一层的虚拟交换机只能连接其相邻层的虚拟交换机，连接的两个虚拟交换机不能属于同一个物理交换机。
3.根据权利要求2所述的大规模高性能RoCEv2网络构建方法，其特征在于，所述步骤2包括：
步骤2.1：给定物理网络的拓扑连接图，并转换成虚拟层级的Clos网络；
步骤2.2：利用动态规划计算到虚拟一层所有节点到其它层虚拟节点的上行路径，得到上行路径图；
步骤2.3：设有虚拟一层的源节点和目的节点，遍历第二层至第k层所有虚拟节点，基于上行路径图，得到源节点到虚拟节点、目的节点到虚拟节点的上行路径，将目的节点到虚拟节点路径进行翻转，得到虚拟节点到目的节点的路径，拼接源节点到虚拟节点、虚拟节点到目的节点的路径，最后得到源节点到目的节点的虚拟路径；
步骤2.4：将计算出的虚拟路径，映射每一个虚拟交换机节点到物理交换机上，去除路径中重复的物理交换机节点；
步骤2.5：去除任意两交换机对之间的重复路径；
步骤2.6：对于任意物理交换机对，重复执行步骤2.3～步骤2.5，计算出任意两个交换机对之间的路由。
4.根据权利要求1所述的大规模高性能RoCEv2网络构建方法，其特征在于，所述步骤3包括：对于任意两个交换机对之间的流量，转发预设比例的流量到最短路径上，将剩余的流量转发到非最短路径上，通过调节流量转发的比例得到最优性能。
5.根据权利要求4所述的大规模高性能RoCEv2网络构建方法，其特征在于，所述流量在最短路径间和非最短路径间，使用散列函数进行负载均衡。
6.一种大规模高性能RoCEv2网络构建系统，其特征在于，包括：
模块M1：构造虚拟Clos网络；
模块M2：基于虚拟Clos网络，计算处于第一层任意两个虚拟交换机之间的路径，并对路径进行压缩、去重；
模块M3：对任意两个物理交换机之间的流量进行负载均衡，从而得到预期网络。
7.根据权利要求6所述的大规模高性能RoCEv2网络构建系统，其特征在于，所述模块M1包括：
模块M1.1：对每一个物理交换机，有h个端口连接到主机，有s个端口连接到交换机，将每一个交换机s个端口划分成k组，每一组视为一个虚拟交换机，第i个虚拟交换机属于第i个虚拟层，其中，h、s、k、i均为大于1的自然数；
模块M1.2：对于每一层虚拟交换机，连线的规则是任一层的虚拟交换机只能连接其相邻层的虚拟交换机，连接的两个虚拟交换机不能属于同一个物理交换机。
8.根据权利要求7所述的大规模高性能RoCEv2网络构建系统，其特征在于，所述模块M2包括：
模块M2.1：给定物理网络的拓扑连接图，并转换成虚拟层级的Clos网络；
模块M2.2：利用动态规划计算到虚拟一层所有节点到其它层虚拟节点的上行路径，得到上行路径图；
模块M2.3：设有虚拟一层的源节点和目的节点，遍历第二层至第k层所有虚拟节点，基于上行路径图，得到源节点到虚拟节点、目的节点到虚拟节点的上行路径，将目的节点到虚拟节点路径进行翻转，得到虚拟节点到目的节点的路径，拼接源节点到虚拟节点、虚拟节点到目的节点的路径，最后得到源节点到目的节点的虚拟路径；
模块M2.4：将计算出的虚拟路径，映射每一个虚拟交换机节点到物理交换机上，去除路径中重复的物理交换机节点；
模块M2.5：去除任意两交换机对之间的重复路径；
模块M2.6：对于任意物理交换机对，重复调用模块M2.3～模块M2.5，计算出任意两个交换机对之间的路由。
9.根据权利要求6所述的大规模高性能RoCEv2网络构建系统，其特征在于，所述模块M3包括：对于任意两个交换机对之间的流量，转发预设比例的流量到最短路径上，将剩余的流量转发到非最短路径上，通过调节流量转发的比例得到最优性能。
10.根据权利要求9所述的大规模高性能RoCEv2网络构建系统，其特征在于，所述流量在最短路径间和非最短路径间，使用散列函数进行负载均衡。
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