CN115174496B - 一种用于网内聚合传输的处理终端和交换机 - Google Patents
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Abstract
本发明一种用于网内聚合传输的处理终端，所述处理终端具有计算机程序，所述计算机程序运行时，所述处理终端完成如下操作：封装分组并发送，其中所述分组包括控制信息和载荷，载荷包含了要发送的原始数据转换而成的键值对，所述控制信息包括有效性字段，所述有效性字段能够指示载荷字段中的键值对是否被聚合。本发明还提出一种用于网内聚合传输的交换机。本发明中的网内聚合传输分组采用键值对作为通用的数据传输格式，上层应用只需简单将要聚合的数据转换成键值对数据，可以实现网内聚合的通用性。
Description
技术领域
本发明涉及计算机网络传输和分布式系统领域，具体地，涉及一种用于网内聚合传输的处理终端和交换机。
背景技术
网内计算所提供的性能增益极大地吸引了相关的研究人员，而聚合操作广泛存在于大量的分布式计算任务中，因而有人研究了利用网内计算来实现聚合原语用于支持特定的分布式计算任务，提出了网内聚合(In-Network Aggregation,INA)的解决方案。针对分布式机器学习训练，在目前的学术界给出了SwitchML和ATP这两种基于网内聚合的解决方案，这两种解决方案均针对于分布式机器学习训练设计了专门的聚合传输协议，并且对交换机和终端主机进行了协同设计。这两种解决方案均采用了参数服务器的架构，SwitchML直接将交换机作为参数服务器，而ATP中将交换机直连的一台服务器作为参数服务器。另一方面，SwitchML所设计的聚合传输协议面向的是单机架、单租户，而ATP所设计的聚合传输协议面向的是多机架、多租户。
现有的基于网内聚合的聚合传输协议的设计都与特定的应用相耦合，包括分组的数据格式、接口和功能的放置。例如SwitchML和ATP均面向的是分布式机器学习训练任务，这种特化的设计能够使得分组中的冗余信息非常少，能够带来更高的性能，但伴随而来的问题是通用性不够好，不能够推广到其他同样存在聚合操作的分布式应用上，如大数据计算、高性能计算等。
键值对数据的聚合逻辑相比于SwitchML和ATP所采用的值数据的聚合逻辑更加复杂。在值数据聚合中，每个分组中的值要么全部聚合，要么全部不聚合，而在键值对数据聚合中，操作是在子分组的粒度下进行的，首先分组需要分解出包含的每一个键值对数据，然后在交换机中进行聚合，并重新组合成分组，这使得协议的工作流、终端主机的可靠性处理、交换机上的状态管理变得更加复杂。
另一方面，通用网内聚合传输协议中的交换机上的聚合器并不能够确认在某一键上的聚合全部完成。用于值数据聚合的bitmap数据结构并不能够在键值对数据的聚合中发挥同样的指示作用。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明一种用于网内聚合传输的处理终端，所述处理终端具有计算机程序，所述计算机程序运行时，所述处理终端完成如下操作：封装分组并发送，其中所述分组包括控制信息和载荷，载荷包含了要发送的原始数据转换而成的键值对，所述控制信息包括有效性字段，所述有效性字段能够指示载荷字段中的键值对是否被聚合。
本发明提出一种用于网内聚合传输的交换机，所述交换机具有计算机处理程序，所述计算机处理程序运行时，所述交换机完成如下操作：
收到分组后，将收到的分组中的键值对解析出来，其中所述分组包括控制信息和载荷，载荷包含了要发送的原始数据转换而成的键值对，所述控制信息包括有效性字段，所述有效性字段能够指示载荷字段中的键值对是否被聚合；
为每一个键值对确定一个聚合器，当聚合器可用时，将键值对写入到聚合器中，该键值对占据该聚合器，并且在所述效性字段中记录该键值对已聚合。
本发明的有益效果包括：
本发明中的网内聚合传输分组采用键值对作为通用的数据传输格式，上层应用只需简单将要聚合的数据转换成键值对数据，然后让服务器、处理终端和交换机按本发明描述的流程进行工作，就可以实现网内聚合，提高了通用性。
本发明公开了处理终端和交换机协同完成聚合任务的工作流程及处理逻辑，使得交换机进行尽力而为的聚合，对未完成的聚合进行回退操作。
本发明能可靠地实现网内聚合传输，保证了网内聚合中数据应被聚合且仅聚合一次的独特语义。
附图说明
为了更容易理解本发明，将通过参照附图中示出的具体实施方式更详细地描述本发明。这些附图只描绘了本发明的典型实施方式，不应认为对本发明保护范围的限制。
图1为本发明的方法的一个实施方式的流程图。
图2为本发明的方法中的通用分组数据格式的一个实施方式的示意图。
图3为本发明的方法中的通用分组数据格式的另一个实施方式示意图。
图4为本发明的交换机的一个实施方式的工作流程图。
具体实施方式
下面参照附图描述本发明的实施方式，以便于本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所列举的实施例不作为本发明的限定，在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合，其中相同的部件用相同的附图标记表示。
图1显示了本发明方法的一个实施方式的流程图。该方法涉及到处理终端(发送端和接收端)，以及交换机。处理终端可以是一个硬件模块、一个软件模块或一个线程。
S100，发送端使用通用分组数据格式封装载荷，成为传输层分组，其中所述载荷为要发送的原始数据转换而成的键值对。图2显示了通用分组数据格式的一个实施方式，图3显示了编程时的通用分组数据格式。在所述通用分组数据中，头部包含控制信息，载荷字段中包含了要进行聚合的键值对。
具体地，任务号字段(task_id字段)存储进行聚合的任务号。发送端号字段(snd_id字段)存储发送该分组的发送端号。线程号字段(thread_id字段)存储具体的发送该分组的线程号。
分组类型字段(type字段)存储该分组的类型，分组的类型包括：SYN，FIN，DATA，ACK，QUERY，RESET六种。SYN表示开始，FIN表示结束，DATA表示数据，ACK表示确认，QUERY表示查询，RESET表示重置。
分组序列号字段(sequence字段)存储由该线程所发送的分组的序列号。载荷字段(payload字段)包含要进行聚合的键值对，键值对可以有多个。
有效性字段(bitmap字段)指示载荷字段(payload)中哪些键值对是有效的。在一个实施方式中，用位图bitmap字段具有载荷字段(payload字段)中键值对数量相同的比特，这些比特用来指示载荷字段(payload字段)中哪些键值对是有效的(例如1表示有效，即处理过)。载荷字段(payload字段)存储键值对，键值对为(key-value pairs)形式，在聚合时进行key的比较，通过通用分组数据格式中的bitmap字段来确定value是否被交换机聚合。所述传输层分组随后将被封装到IP数据表的载荷中。
发送端重复S100，继续发送数据直到结束发送任务。此时，在S101，发送端发送一个如图2所示的通用数据分组格式的结束标记(type字段为FIN)的传输层分组，表明该发送端的发送任务已经结束。当该特殊传输层分组得到确认后，发送端通知应用层并释放资源。
在一个实施方式中，发送端维护所要发送的传输层分组的序列号(sequence字段)，发送端使用滑动窗口机制来确保所发送的分组的序列号落在窗口之内，传输层分组的分组类型字段(type字段)设置为Data(表示数据)。正常情况下，发送端按序接收到每个传输层分组的交换机ACK(在后面描述)和接收端ACK(在后面描述)。然后，发送端将滑动窗口向前推动，并继续发送新的分组，直到所有分组全部发送完毕并进行了确认。然后，发送端发送一个特殊传输层分组(type字段为FIN)，表明该发送端的发送任务已经结束，当该特殊传输层分组得到确认后(例如发送端收到type字段为ACK的传输层分组)，发送端通知应用层并释放资源。
如图1所示，本发明的通用网内聚合传输方法还涉及到交换机。交换机执行S200：交换机收到传输层分组后，将收到的传输层分组中的键值对解析出来，并进行聚合。
优选地，交换机首先为聚合任务分配一个聚合数组，将解析出来的键值对存储到该聚合数组中。优选地，交换机为每一个键值对确定一个聚合器。一个优选的方式是，通过对键值对进行哈希的方式来确定一个聚合器。在聚合器中存在以下三种情况：
1)聚合器可用，则交换机将键值对写入到聚合器中，该键值对占据该聚合器。并且交换机在该传输层分组的bitmap字段中记录该键值对已聚合。
2)聚合器已被一个具有相同键的键值对所占据，则交换机将该键值对与聚合器中的键值对进行聚合，在传输层分组的bitmap字段中标记该键值对已聚合。
3)聚合器已被一个具有不同键的键值对所占据，即发生了冲突的情况。则交换机获得不了该聚合器资源，因此交换机跳过对该键值对的处理，将该键值对的聚合回退到接收端(表示交换机无法处理该聚合任务)，由接收端进行处理。
如果该传输层分组中所有的键值对已全部被聚合，交换机丢弃掉该传输层分组。优选地，交换机发送一个ACK(交换机ACK)给发送端，以防止该分组被继续转发给接收端。
下面参照图4来描述交换机的工作过程。
S401，当交换机接收到一个传输层分组时，解析传输层分组的各个字段。
当传输层分组的type字段为ACK，SYN或FIN时，表示该传输层分组所进行的操作与交换机中所保存的数据无关，因而直接将其进行转发。
如果传输层分组的type字段为DATA、AQUERY或RESET时，则该传输层分组要进行的操作与交换机中某个聚合器中保存的数据相关，跳转到S402。
S402，交换机将传输层分组中的task_id字段和key字段的值进行哈希计算，来确定聚合器的索引号。
S403，判断传输层分组的type字段的类型。若type字段为QUERY，则将聚合器中所保存的值拷贝到传输层分组中对应的value字段中。若type字段为RESET，则需要将聚合器中所存储的数据清空。若type字段为DATA，需要进一步判断是否为重传数据包，如果是重传传输层分组，那么仅需要修改传输层分组的bitmap字段，然后向接收端进行转发；如果是新传输层分组，则交换机判断聚合器中所保存的键值对的键是否和传输层分组中的键值对中的键相匹配，如果匹配的话，则进行相应的聚合操作，修改传输层分组中的bitmap字段；不匹配则不进行任何处理。
S404，重复步骤S403，在整个传输层分组中所有的键值对都进行完处理后，如果传输层分组的bitmap字段等于1，则表示交换机对传输层分组中所有的键值对都进行了聚合操作，因而由交换机向发送端传输ACK，否则的话需要继续将传输层分组转发给接收端。
再次参考图1，本发明的方法还涉及到接收端，接收端执行步骤S300：当接收端接收到传输层分组时，将分组中所有的键值对连同bitmap字段拷贝到缓冲区中，在缓冲区中记录聚合情况(根据bitmap字段进行判断)。具体地，如果该分组第一次出现，则将分组中所有的键值对连同bitmap字段拷贝到缓冲区中，在缓冲区中记录处理情况；如果该分组已被聚合过，则丢弃该分组以避免重复聚合。
优选地，当接收端接收到一个传输层分组时，发送一个接收端ACK给发送端。
优选地，接收端还执行步骤S301：接收端查询聚合任务。具体地，接收端接收到所有发送端的结束类型的传输层分组(type字段为FIN)后，发送查询类型的传输层分组(type字段为QUERY)给交换机来获取中间聚合结果。可选地，接收端利用聚合器的索引值作为查询的键key，并编码在分组的键值对(key-value)中。所有的type字段为QUERY的分组的键值对覆盖了聚合器数组的全部索引，交换机根据索引值将聚合器中的键值对拷贝到type字段为QUERY的分组中，然后返回给接收端。
优选地，接收端还执行步骤S302：接收端通知交换机释放聚合器资源，接收端完成最终的回退操作。在所有交换机中的中间聚合结果都拉取到接收端后，接收端发送重启传输层分组(type字段为RESET)给交换机，通知交换机释放该聚合任务分配的全部聚合器。接收端将获取的中间聚合结果与缓冲区中的键值对按照键进行排序，然后将键相同的键值对进行回退聚合操作，然后将最终的结果返回给上层的应用。
在一个实施例中，本发明的方法实现了可靠性。具体地，本发明的方法中，聚合每一个键值对一次，且仅聚合一次。这与传统的可靠传输协议TCP相比具有不同的语义。在交换机中，分组第一次出现时如同上面的工作流程描述进行正常的处理，但是分组再次出现时的处理流程确实很复杂，仅仅简单丢弃、二次聚合或者将它继续转发给接收端都不正确。因此，分组中已经被交换机聚合过的键值对应该避免被交换机和接收端再次进行聚合，而没有被交换机聚合过的键值对应该继续转发给接收端进行二次检查。
为实现上述的可靠性，在交换机中为每一个发送端记录状态，状态包括分组的出现以及第一次聚合处理的结果。本发明的方法将状态设定为第一逻辑数组(seen逻辑数组)和第二逻辑数组(result逻辑数组)，第一逻辑数组为比特数组，第二逻辑数组是由bitmap字段构成的数组。当一个序列号为seq的分组第一次到达交换机，并完成聚合处理之后，交换机将设置seen[seq]为1，并且拷贝分组的bitmap字段到result[seq]中。当具有相同序列号的分组到达交换机时，交换机将发现该分组之前已经聚合处理过，将不会对其进行二次聚合，而是继承了上一次处理的结果，将result[seq]再拷贝到分组的bitmap字段当中，从而避免已聚合的键值对在交换机和接收端中都进行聚合处理。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式，本说明书使用词组“在一种实施例中”、“在另一个实施例中”、“在又一实施例中”或“在其他实施例中”，其均可指代根据本公开的相同或不同实施例中的一个或多个。本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种用于网内聚合传输的处理终端，其特征在于，所述处理终端具有计算机程序，所述计算机程序运行时，所述处理终端完成如下操作：
封装分组并发送，其中所述分组包括控制信息和载荷，载荷包含了要发送的原始数据转换而成的键值对，所述控制信息包括有效性字段和任务号字段，所述有效性字段能够指示载荷字段中的键值对是否被聚合，任务号字段用于存储进行聚合的任务号；
处理终端使用滑动窗口机制来确保所发送的分组的序列号落在窗口之内，处理终端收到确认类型的分组后，释放资源；
当接收到分组时，将分组中所有的键值对连同有效性字段拷贝到缓冲区中，在缓冲区中记录聚合情况，其中所述分组包括控制信息和载荷，载荷包含了要发送的原始数据转换而成的键值对，所述控制信息包括有效性字段，所述有效性字段能够指示载荷字段中的键值对是否被聚合；
处理终端利用交换机内的聚合器的索引值作为查询的键值，并编码在分组的键值对中，发送查询类型的分组给交换机来获取中间聚合结果。
2.根据权利要求1所述的用于网内聚合传输的处理终端，其特征在于，所述控制信息还包括：
发送端号字段，用于存储发送所述分组的发送端号；
线程号字段，用于存储发送所述分组的发送端的线程号；
分组序列号字段，用于存储要发送的分组的序列号；
类型字段，用于存储分组的类型，包括：开始、结束、数据、确认、查询和重置。
3.根据权利要求2所述的用于网内聚合传输的处理终端，其特征在于，
当处理终端收到所有发送端的结束类型的分组后，确定所有发送端的数据发送已完成。
4.一种用于网内聚合传输的交换机，其特征在于，所述交换机具有计算机处理程序，所述计算机处理程序运行时，所述交换机完成如下操作：
收到分组后，将收到的分组中的键值对解析出来，其中所述分组包括控制信息和载荷，载荷包含了要发送的原始数据转换而成的键值对，所述控制信息包括有效性字段和任务号字段，所述有效性字段能够指示载荷字段中的键值对是否被聚合，任务号字段用于存储进行聚合的任务号；
为每一个键值对确定一个聚合器：当聚合器可用时，将键值对写入到聚合器中，该键值对占据该聚合器，并且在所述效性字段中记录该键值对已聚合；如果聚合器已被一个具有相同键的键值对所占据，则交换机将该键值对与聚合器中的键值对进行聚合，在所述分组的所述有效性字段中标记该键值对已聚合；如果聚合器已被一个具有不同键的键值对所占据，则交换机跳过对该键值对的处理，将该键值对的聚合回退到发送所述分组的处理终端；
其中，交换机将所述分组中的任务号字段和键值对的键值进行哈希计算，来确定聚合器的索引号；
在交换机中为每一个发送端记录状态，状态包括分组的出现以及第一次聚合处理的结果，当具有相同序列号的分组到达交换机时，交换机将发现该分组之前已经聚合处理过，则继承上一次处理的结果，避免已聚合的键值对在交换机和接收端中都进行聚合处理。
5.根据权利要求4所述的用于网内聚合传输的交换机，其特征在于，
所述控制信息还包括：
发送端号字段，用于存储发送所述分组的发送端号；
线程号字段，用于存储发送所述分组的发送端的线程号；
分组序列号字段，用于存储要发送的分组的序列号；
类型字段，用于存储分组的类型，包括：开始、结束、数据、确认、查询和重置。
6.根据权利要求4所述的用于网内聚合传输的交换机，其特征在于，
如果传输层分组中所有的键值对已全部被聚合，交换机丢弃掉该传输层分组，交换机发送一个ACK给发送端，以防止该分组被继续转发给接收端。
7.根据权利要求4所述的用于网内聚合传输的交换机，其特征在于，
如果所述分组的类型字段为查询类型，则交换机将聚合器中所保存的值拷贝到所述分组中键值对的值字段中。
8.根据权利要求4所述的用于网内聚合传输的交换机，其特征在于，
如果所述分组的类型字段为数据类型且是新分组，交换机判断聚合器中所保存的键值对的键是否和所述分组中的键值对中的键相匹配，如果匹配，则交换机进行聚合操作，且修改所述分组中的有效性字段。
9.根据权利要求4所述的用于网内聚合传输的交换机，其特征在于，
交换机记录每一个发送来分组的处理终端的状态，所述状态包括分组的出现情况以及第一次聚合处理的结果，以避免已聚合的键值对在交换机中再进行聚合。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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