CN115134308B - 数据中心无损网络中通过数据包弹跳避免队头阻塞的方法 - Google Patents

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Abstract

数据中心无损网络中通过数据包弹跳避免队头阻塞的方法，当出端口出现拥塞，其队列长度超过一定阈值时，将到该出端口且与无辜流共入端口的拥塞流数据包从最小负载出端口弹跳到相邻的上游交换机，以避免入端口触发PFC出现队头阻塞问题。当出端口的队列长度减小到弹跳阈值以下，为保证数据包有序传输和低延时开销，如果弹跳的数据包是乱序包，则在弹跳延时和乱序延时之间进行折中，再决定是否继续弹跳。如果弹跳延时小于乱序重传延时，则继续弹跳数据包。否则直接转发数据包到目的出端口。本发明通过在交换机上的数据包弹跳机制解决了数据中心无损网络中PFC队头阻塞问题，同时在弹跳和乱序延时之间进行折中，保证了延时开销最小的有序传输。

Description

数据中心无损网络中通过数据包弹跳避免队头阻塞的方法
技术领域
本发明涉及数据处理技术领域，尤其指一种数据中心无损网络中通过数据包弹跳避免队头阻塞的方法。
背景技术
过去几年中，在主要云提供商如微软和谷歌的现代数据中心已在融合以太网广泛部署了远程直接内存访问(RDMA)的网络协议(RoCEv2)，实现了以极低CPU开销的低延时和高吞吐率的数据传输。为了避免因数据包丢失导致RDMA性能急剧下降，RoCEv2使用基于优先级的流控机制(PFC)来防止交换机缓存溢出。当交换机入端口(或队列)的缓存占用超过一定阈值，则触发PFC机制，暂停上游交换机相关的端口(或队列)，直到入端口的队列长度下降到另一个阈值则恢复上游交换机端口的数据传输。由于PFC是基于端口(或队列)的工作机制，当一个端口被PFC暂停后，该端口中与造成拥塞无关的无辜流也会被暂停，即出现队头阻塞的问题。
为了缓解拥塞，减少PFC触发，缓解PFC引起的负面影响，很多端到端的传输协议如DCQCN，TIMELY，HPCC，Swift等被提出来。但他们没有区分与拥塞无关的无辜流和真正导致拥塞的拥塞流，造成对无辜流不必要的降速。最近提出的PCN识别真正的拥塞流并仅对这些拥塞流进行速率调节。但这些传输协议都是端到端的拥塞控制，拥塞信号的反馈至少需要1个往返延时(RTT)，因此它们不能及时解决突发流量引起的瞬时拥塞，也很难控制在一个RTT内就发送完数据的小流。而现代高速数据中心网络中有大概60％～90％的流可以在一个RTT内完成。因此，即使部署了端到端的传输协议，PFC仍然会触发，造成队头阻塞，显著增加了流的完成时间。总之，为了提升应用性能和用户体验，PFC的队头阻塞是一个亟待解决的问题。
发明内容
为了解决数据中心无损网络中PFC大的队头阻塞问题，本发明提供一种数据中心无损网络中通过数据包弹跳避免队头阻塞的方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方法：一种数据中心无损网络中通过数据包弹跳避免队头阻塞的方法，包括：
步骤一，初始化链路基础往返延时RTT、链路带宽C、链路基础延时d、弹跳阈值更新周期Tth、PFC触发阈值QPFC、ECN阈值QECN、交换机出端口数量N、入端口转发最后一个无辜流数据包的时间t[i]、出端口转发最后一个拥塞流数据包序号f.SEQ、弹跳阈值Qth、弹跳阈值更新周期的起始时间t、交换机活跃流数量n0、无辜流检测时间窗口T；
步骤二，交换机监听是否有新数据包到达，若有新数据包到达，转步骤三；否则继续监听是否有新数据包到达；
步骤三，判断当前数据包是否为拥塞流数据包，若是，转步骤四；否则，转发当前数据包到目的出端口，设置当前入端口转发最后一个无辜流数据包的时间t[i]为当前时间；
步骤四，判断出端口队列长度是否大于或等于弹跳阈值Qth，若是，转步骤五；否则，转步骤六；
步骤五，判断当前拥塞流数据包的入端口是否有无辜流，若是，将当前数据包从最小负载出端口转发到相邻上游交换机；否则，将转发当前数据包到目的出端口；
步骤六，判断当前数据包是否是有序数据包，若是，则转发当前数据包到目的出端口，设置当前出端口转发最后一个拥塞流数据包序号f.SEQ为当前数据包序号；否则，转步骤七；
步骤七，判断数据包弹跳延时是否小于乱序重传延时，若是，则将当前数据包从最小负载出端口转发到相邻上游交换机；否则，转发当前数据包到目的出端口。
进一步地，所述步骤一中，初始化时，链路带宽C设置为交换机出端口的带宽值；链路基础延时d设置为5μs；链路基础往返延时RTT设置为60us；弹跳阈值更新周期Tth设置为50μs；PFC触发阈值QPFC设置为256KB；ECN阈值QECN设置为32KB；无辜流检测时间窗口T设为3RTT；入端口转发最后一个无辜流数据包的时间t[i]、出端口转发最后一个拥塞流数据包序号f.SEQ、弹跳阈值Qth、弹跳阈值更新周期的起始时间t、交换机活跃流数量n0均设置为0。
进一步地，从所述步骤二中监听到有新数据包到达至步骤七执行前的任一时间，判断当前时间与弹跳阈值更新周期的起始时间t的差值是否大于或等于弹跳阈值更新周期Tth，若大于或等于弹跳阈值更新周期Tth，则更新弹跳阈值Qth，并将弹跳阈值更新周期的起始时间t设置为当前时间，否则直接转至下一步。
更进一步地，更新所述弹跳阈值Qth的方法如下：
假设在时刻tb触发弹跳机制时的出端口队列长度为Qth，交换机当前活跃的n条流中有m条流的数据包发生弹跳，在数据包弹跳期间Tb，n-m条未弹跳流的流量为NT，在时刻tb+Tb时，最大的弹跳流量为BT，则在弹跳结束时，最大的出端口队列长度Q(tb+Tb)为：
其中，NT和BT采用如下公式进行计算：
为了保证弹跳的数据包返回到交换机时不触发PFC，在弹跳结束时最大的出端口队列长度Q(tb+Tb)需满足以下条件：
其中，N为交换机出端口数量；
同时，为了保证弹跳机制不会使得端到端的拥塞信号(如ECN通知和重复ACK)被阻塞，更新后的弹跳阈值Qth需满足以下条件：
Qth＞QECN (5)
综合公式(1)、(4)、(5)，得到更新后的弹跳阈值Qth的取值范围为：
取数据包的最小弹跳时间为2d，得到更新后的弹跳阈值Qth为：
更进一步地，所述步骤三中，判断当前数据包是否为拥塞流数据包的方法是，若出端口的队列长度>＝1，则判断到该出端口的所有数据包都是拥塞流数据包。
更进一步地，所述步骤五中，判断当前拥塞流数据包的入端口是否有无辜流的方法是，当前时间减去入端口转发最后一个无辜流数据包的时间t[i]小于或等于无辜流检测时间窗口T时，则认为当前拥塞流数据包的入端口有无辜流，否则，认为当前拥塞流数据包的入端口没有无辜流，则将转发当前数据包到目的出端口。
再进一步地，所述步骤六中，根据数据包序号来判断当前数据包是否是有序数据包。
优选地，在步骤七中，判断数据包弹跳延时是否小于乱序重传延时，弹跳造成的延时增加的最大值＝2d×(k-1)，其中k为当前乱序数据包的序号与期望数据包的序号之间的差。
优选地，在步骤七中，判断数据包弹跳延时是否小于乱序重传延时，乱序重传延时按最小的重传延时计算，所述最小的重传延时为一个链路基础往返延时RTT。
本发明所涉数据中心无损网络中通过数据包弹跳避免队头阻塞的方法，主要通过在交换机上的数据包弹跳机制解决数据中心无损网络中的PFC队头阻塞的问题，同时在弹跳和乱序延时之间进行折中，保证延时开销最小的有序传输。具体而言，当出端口出现拥塞，其队列长度超过一定阈值时，将与无辜流共入端口的拥塞流数据包从最小负载出端口弹跳到相邻的上游交换机，从而避免触发PFC，避免出现队头阻塞问题。而当出端口的队列长度减小到弹跳阈值以下，为了保证有序传输和低延时开销，如果弹跳的数据包是乱序数据包，则在弹跳延时和乱序延时之间进行折中，再决定是否继续弹跳。如果弹跳延时小于乱序重传延时，则继续弹跳数据包。否则直接转发数据包到目的出端口。
附图说明
图1为本发明所涉数据中心无损网络中通过数据包弹跳避免队头阻塞的方法流程图；
图2为本发明实施方式中NS-3仿真测试场景拓扑图；
图3为本发明实施方式中真实网络环境的测试平台测试场景拓扑图；
图4为本发明实施方式中NS-3大规模仿真性能测试图；
图5为本发明实施方式中真实网络测试平台下web search工作负载在链路带宽变化场景下的性能测试图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
本发明充分利用数据中心网络中大量的并行链路容量，及时将阻塞无辜流的拥塞流的数据包反弹到有空余容量的并行路径上，避免触发PFC，从而避免出现队头阻塞的问题。当出端口出现拥塞，其队列长度增加，则到此出端口的流都为拥塞流。本发明首先识别哪些拥塞流与无辜流共享入端口，只有这些拥塞流才可能伤害无辜流，使无辜流遭遇队头阻塞。当出端口的队列长度超过弹跳阈值时，只将会影响无辜流的拥塞流数据包从最小负载出端口反弹到相邻的上游交换机，就避免了入端口队列继续增长，从而不会触发PFC，不会出现队头阻塞现象。反弹的数据包再次回到该交换机后，再继续根据目的出端口的队列长度判断是否继续弹跳。如果此时目的出端口的队列长度仍超过弹跳阈值，则该数据包继续从最小负载出端口弹跳到相邻的上游交换机以避免触发PFC。如果此时目的出端口的队列长度小于弹跳阈值，则要根据数据包的序列号判断是否是乱序包。如果不是乱序数据包则直接转发到目的出端口。如果是乱序包，则再比较乱序造成的重传延时和弹跳延时，如果重传延时小，则直接转发到目的出端口，否则继续从最小负载出端口弹跳到相邻上游交换机，直到最终转发到目的出端口。这样就有效避免了触发PFC，避免了队头阻塞，同时保证延时开销最小的有序传输。
下面详细描述本发明所涉数据中心无损网络中通过数据包弹跳避免队头阻塞的方法，如图1所示，包括：
步骤一，初始化：链路带宽C设置为交换机出端口的带宽值；链路基础延时d设置为5μs；链路基础往返延时RTT设置为60us；弹跳阈值更新周期Tth设置为50μs；PFC触发阈值QPFC设置为256KB；ECN阈值QECN设置为32KB；无辜流检测时间窗口T设为3RTT；入端口转发最后一个无辜流数据包的时间t[i]、出端口转发最后一个拥塞流数据包序号f.SEQ、弹跳阈值Qth、弹跳阈值更新周期的起始时间t、交换机活跃流数量n0均设置为0。
步骤二，交换机监听是否有新数据包到达，若有新数据包到达，先判断当前时间与弹跳阈值更新周期的起始时间t的差值是否大于或等于弹跳阈值更新周期Tth，若大于或等于弹跳阈值更新周期Tth，则更新弹跳阈值Qth，并将弹跳阈值更新周期的起始时间t设置为当前时间，然后转至下一步，若小于弹跳阈值更新周期Tth，则直接转至下一步；若没有新数据包到达，则交换机继续监听是否有新数据包到达。
步骤三，判断当前数据包是否为拥塞流数据包，若出端口的队列长度>＝1，则判断到该出端口的所有数据包都是拥塞流数据包，则转步骤四；否则，转发当前数据包到目的出端口，设置当前入端口转发最后一个无辜流数据包的时间t[i]为当前时间。
步骤四，判断出端口队列长度是否大于或等于弹跳阈值Qth，若是，转步骤五；否则，转步骤六。
步骤五，判断当前拥塞流数据包的入端口是否有无辜流，当前时间减去入端口转发最后一个无辜流数据包的时间t[i]小于或等于无辜流检测时间窗口T时，则认为当前拥塞流数据包的入端口有无辜流，则将当前数据包从最小负载出端口转发到相邻上游交换机；否则，认为当前拥塞流数据包的入端口没有无辜流，则将转发当前数据包到目的出端口。
步骤六，根据数据包序号来判断当前数据包是否是有序数据包，若是，则转发当前数据包到目的出端口，设置当前出端口转发最后一个拥塞流数据包序号f.SEQ为当前数据包序号；否则，转步骤七；
步骤七、依次确认数据包弹跳延时和乱序重传延时的值，其中，弹跳造成的延时增加的最大值＝2d×(k-1)，k为当前乱序数据包的序号与期望数据包的序号之间的差，而乱序重传延时按最小的重传延时计算，该最小的重传延时为一个链路基础往返延时RTT。判断前述弹跳造成的延时增加的最大值是否小于一个链路基础往返延时RTT，若是，则将当前数据包从最小负载出端口转发到相邻上游交换机；否则，转发当前数据包到目的出端口。
前述更新弹跳阈值Qth的方法如下：
假设在时刻tb触发弹跳机制时的出端口队列长度为Qth，交换机当前活跃的n条流中有m条流的数据包发生弹跳，在数据包弹跳期间Tb，n-m条未弹跳流的流量为NT，在时刻tb+Tb时，最大的弹跳流量为BT，则在弹跳结束时，最大的出端口队列长度Q(tb+Tb)为：
其中，NT和BT采用如下公式进行计算：
为了保证弹跳的数据包返回到交换机时不触发PFC，在弹跳结束时最大的出端口队列长度Q(tb+Tb)需满足以下条件：
其中，N为交换机出端口数量；
同时，为了保证弹跳机制不会使得端到端的拥塞信号(如ECN通知和重复ACK)被阻塞，更新后的弹跳阈值Qth需满足以下条件：
Qth＞QECN(5)
综合公式(1)、(4)、(5)，得到更新后的弹跳阈值Qth的取值范围为：
取数据包的最小弹跳时间为2d，得到更新后的弹跳阈值Qth为：
值得注意的是，“判断当前时间与弹跳阈值更新周期的起始时间t的差值是否大于或等于弹跳阈值更新周期Tth，若大于或等于弹跳阈值更新周期Tth，则更新弹跳阈值Qth，并将弹跳阈值更新周期的起始时间t设置为当前时间，然后转至下一步，若小于弹跳阈值更新周期Tth，则直接转至下一步”这一步骤除了可以从步骤二监听到有新数据包到达开始，亦可以从步骤三开始至步骤七执行前的其他任一时间内。
为了验证本发明的有效性，本发明利用NS-3网络仿真平台和真实试验床来实现，并进行了性能测试，实验设置如下：在NS-3仿真实验中，采用胖树拓扑，12个pod，共432台服务器，链路带宽都为40Gbps。图2为测试场景拓扑图。实验生成两种典型的工作负载，即webserver和data mining。Web server工作负载中的所有流都小于1MB。Data mining流量呈典型的重尾分布，83％的流小于100KB，95％的数据字节来自大于35MB的约3.6％的流。所有流在随机选择的端主机间产生，流的发送时间服从泊松分布。网络负载从0.3变化到0.7。本发明分别与DCQCN、TIMELY、Swift和PCN四种传输协议集成。
在试验床测试评估中，采用叶-脊网络拓扑结构，由12台服务器(Dell PRECISIONTOWER 5820台式机)组成，使用100Gbps链路连接到两个可编程100BF-32X硬件交换机，两个叶交换机之间提供20条等价路径，20条并行链路带宽为40Gbps，链路延迟为5μs。每个交换机有32个全双工100Gbps端口和22MB共享缓冲区。在每个入口端口启用PFC。每台服务器都配备10核Intel Xeon W-2255CPU、64GB内存、Mellanox ConnectX-5 100GbE NIC，支持DPDK和Ubuntu 20.04.1(Linux版本5.4.0-42-generic)。图3为测试场景拓扑图。弹跳阈值Qth设置为300KB。我们分别评估了本发明与DCQCN、Swift和PCN集成的性能。
图4为NS-3大规模仿真性能测试图，其中，图4(a)和图4(b)分别为web server和data mining的队头阻塞流示意图，图4(c)和图4(d)分别为web server和data mining的PFC暂停帧速率示意图，图4(e)和图4(f)分别为web server和data mining的平均流完成时间示意图。从图中可以看出，QBounce将队头阻塞流的比率保持在接近零的水平，有效降低了PFC暂停帧的速率，同时显著降低了流的平均完成时间。由于web server工作负载中，都是小流，QBounce有效控制了小流引起的PFC触发，因此QBounce在web server中对平均流完成时间的性能改进高于在data mining工作负载中的性能改进。
图5为试验平台测试环境中，web search工作负载在链路带宽变化场景下的性能测试图，其中，图5(a)为队头阻塞流的示意图，图5(b)为PFC暂停帧速率的示意图，图5(c)为平均流完成时间的示意图，图5(d)为小于100KB的小流的99分位流完成时间示意图。本发明命名为QBounce。从图5(a)中可以看出，QBounce与端到端拥塞控制相结合，通过将数据包反弹到未充分利用的上游链路，成功地避免了无辜流遭受PFC队头阻塞。在更高速的链路速率如100Gbps下，队列累积更快，因此在没有部署QBounce时，有更多的无辜流被队头阻塞。图5(b)显示QBounce及时缓解瞬时拥塞，显著减少了PFC暂停帧的速率。值得注意的是，由于QBounce仅反弹与非阻塞流共享入口端口的阻塞流，因此PFC仍在仅被阻塞流占用的其他入口端口触发。图5(c)和图5(d)显示QBounce有效减小了所有流的平均完成时间，显著减小了小流的拖尾流完成时间。
上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。
为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其他元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。

Claims (8)

1.数据中心无损网络中通过数据包弹跳避免队头阻塞的方法，其特征在于，包括：
步骤一，初始化链路基础往返延时RTT、链路带宽C、链路基础延时d、弹跳阈值更新周期Tth、PFC触发阈值QPFC、ECN阈值QECN、交换机出端口数量N、入端口转发最后一个无辜流数据包的时间t[i]、出端口转发最后一个拥塞流数据包序号f.SEQ、弹跳阈值Qth、弹跳阈值更新周期的起始时间t、交换机活跃流数量n0、无辜流检测时间窗口T；
步骤二，交换机监听是否有新数据包到达，若有新数据包到达，转步骤三；否则继续监听是否有新数据包到达；
步骤三，判断当前数据包是否为拥塞流数据包，若是，转步骤四；否则，转发当前数据包到目的出端口，设置当前入端口转发最后一个无辜流数据包的时间t[i]为当前时间；
步骤四，判断出端口队列长度是否大于或等于弹跳阈值Qth，若是，转步骤五；否则，转步骤六；
步骤五，判断当前拥塞流数据包的入端口是否有无辜流，若是，将当前数据包从最小负载出端口转发到相邻上游交换机；否则，将转发当前数据包到目的出端口；
步骤六，判断当前数据包是否是有序数据包，若是，则转发当前数据包到目的出端口，设置当前出端口转发最后一个拥塞流数据包序号f.SEQ为当前数据包序号；否则，转步骤七；
步骤七，判断数据包弹跳延时是否小于乱序重传延时，若是，则将当前数据包从最小负载出端口转发到相邻上游交换机；否则，转发当前数据包到目的出端口；
更新所述弹跳阈值Qth的方法如下：
假设在时刻tb触发弹跳机制时的出端口队列长度为Qth，交换机当前活跃的n条流中有m条流的数据包发生弹跳，在数据包弹跳期间Tb，n-m条未弹跳流的流量为NT，在时刻tb+Tb时，最大的弹跳流量为BT，则在弹跳结束时，最大的出端口队列长度Q(tb+Tb)为：
其中，NT和BT采用如下公式进行计算：
为了保证弹跳的数据包返回到交换机时不触发PFC，在弹跳结束时最大的出端口队列长度Q(tb+Tb)需满足以下条件：
其中，N为交换机出端口数量；
同时，为了保证弹跳机制不会使得端到端的拥塞信号被阻塞，更新后的弹跳阈值Qth需满足以下条件：
Qth＞QECN (5)
综合公式(1)、(4)、(5)，得到更新后的弹跳阈值Qth的取值范围为：
取数据包的最小弹跳时间为2d，得到更新后的弹跳阈值Qth为：
2.根据权利要求1所述的数据中心无损网络中通过数据包弹跳避免队头阻塞的方法，其特征在于：所述步骤一中，初始化时，链路带宽C设置为交换机出端口的带宽值；链路基础延时d设置为5μs；链路基础往返延时RTT设置为60us；弹跳阈值更新周期Tth设置为50μs；PFC触发阈值QPFC设置为256KB；ECN阈值QECN设置为32KB；无辜流检测时间窗口T设为3RTT；入端口转发最后一个无辜流数据包的时间t[i]、出端口转发最后一个拥塞流数据包序号f.SEQ、弹跳阈值Qth、弹跳阈值更新周期的起始时间t、交换机活跃流数量n0均设置为0。
3.根据权利要求2所述的数据中心无损网络中通过数据包弹跳避免队头阻塞的方法，其特征在于：从所述步骤二中监听到有新数据包到达至步骤七执行前的任一时间，判断当前时间与弹跳阈值更新周期的起始时间t的差值是否大于或等于弹跳阈值更新周期Tth，若大于或等于弹跳阈值更新周期Tth，则更新弹跳阈值Qth，并将弹跳阈值更新周期的起始时间t设置为当前时间，否则直接转至下一步。
4.根据权利要求3所述的数据中心无损网络中通过数据包弹跳避免队头阻塞的方法，其特征在于：所述步骤三中，判断当前数据包是否为拥塞流数据包的方法是，若出端口的队列长度>＝1，则判断到该出端口的所有数据包都是拥塞流数据包。
5.根据权利要求4所述的数据中心无损网络中通过数据包弹跳避免队头阻塞的方法，其特征在于：所述步骤五中，判断当前拥塞流数据包的入端口是否有无辜流的方法是，当前时间减去入端口转发最后一个无辜流数据包的时间t[i]小于或等于无辜流检测时间窗口T时，则认为当前拥塞流数据包的入端口有无辜流，否则，认为当前拥塞流数据包的入端口没有无辜流，则将转发当前数据包到目的出端口。
6.根据权利要求5所述的数据中心无损网络中通过数据包弹跳避免队头阻塞的方法，其特征在于：所述步骤六中，根据数据包序号来判断当前数据包是否是有序数据包。
7.根据权利要求6所述的数据中心无损网络中通过数据包弹跳避免队头阻塞的方法，其特征在于：在步骤七中，判断数据包弹跳延时是否小于乱序重传延时，弹跳造成的延时增加的最大值＝2d×(k-1)，其中k为当前乱序数据包的序号与期望数据包的序号之间的差。
8.根据权利要求7所述的数据中心无损网络中通过数据包弹跳避免队头阻塞的方法，其特征在于：在步骤七中，判断数据包弹跳延时是否小于乱序重传延时，乱序重传延时按最小的重传延时计算，所述最小的重传延时为一个链路基础往返延时RTT。
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