CN116708302A - 一种数据中心网络中基于自适应切换粒度的负载均衡系统 - Google Patents

一种数据中心网络中基于自适应切换粒度的负载均衡系统 Download PDF

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黄莉莎
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Abstract

本申请提供的数据中心网络中基于自适应切换粒度的负载均衡系统，包括：发送机、交换机及接收机；发送机用于设置并发送第一阈值和第二阈值，并向交换机发送数据流；交换机用于接收数据流，判断数据流为长流或短流，得到第一判断结果，长流为数据大小大于或等于预设数值的数据流，短流为数据大小小于预设数值的数据流；交换机还用于判断当前路径中是否存在队列长度小于第一阈值的路由路径，得到第二判断结果；交换机还用于根据第一判断结果、第二判断结果、第一阈值及第二阈值，确定数据流的路由路径，通过路由路径，向接收机转发数据流；接收机用于接收交换机转发的数据流。本申请能够实时感知网络中链路负载情况、快速地实现网络流量的均衡。

Description

一种数据中心网络中基于自适应切换粒度的负载均衡系统
技术领域
本申请涉及通信技术领域，更具体地说，尤其涉及一种数据中心网络中基于自适应切换粒度的负载均衡系统。
背景技术
数据中心最理想的状态是提供高吞吐量低时延的网络服务。对数据中心网络中的流量进行管理能提高网络链路的整体利用率，降低网络的拥塞情况，减少传输过程中的重传。数据中心内部网络流量控制成为提升用户体验的关键因素之一。越来越大的网络规模，越来越高的流量负载使得数据中心网络区别于传统的网络。计算业务的时延敏感要求和存储业务的高吞吐要求冲突。
作为默认的负载平衡方案，等价多路径路由(Equal-Cost Multipath Routing,ECMP)被广泛部署在数据中心，通过使用流哈希将每个流随机映射到一个路径。ECMP非常简单，但存在众所周知的性能问题。随机数据包喷洒(RPS)、DRILL和Hermes以数据包粒度分割流，并为每个数据包选择下一跳以利用多条路径。Presto为固定大小的数据块(即64KB)选择路径，以提高吞吐量并减少数据包重新排序。CONGA和LetFlow采用flowlet交换来提供更精细的粒度，而不会导致太多的数据包重新排序。
然而，现有的负载平衡设计以一定的粒度重新路由所有的流，无论是流、flowlet、流单元还是包，且不管流的大小如何。从宏观角度来看，数据中心异构流量可以用重尾分布来表征，约80％的流量仅由约20％的吞吐量敏感长流提供，约80％的延迟敏感短流仅提供约20％的流量。
当短流和长流以相同的粒度被重新路由时，短流容易经历长尾排队延迟，因为它们在长流的压倒性数据下难以抓住不太拥塞的路径，导致大的流完成时间(FCT)。此外，在非自适应粒度下，当网络流量动态变化时，由于低链路利用率或无序问题，长流遭受吞吐量损失。
因此，如何实时感知网络中链路负载情况、快速地实现网络流量的均衡，已经成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
在背景技术中公开的上述信息仅用于加强对本申请的背景的理解，因此其可能包含没有形成为本领域普通技术人员所知晓的现有技术的信息。
发明内容
为解决上述技术问题，本申请提供一种数据中心网络中基于自适应切换粒度的负载均衡系统，其能够解决现有技术方案中短流的低时延、乱序以及长流的高吞吐之间无法平衡的问题，实时感知网络中链路负载情况、快速地实现网络流量的均衡。
本申请提供的技术方案如下：
本申请提供一种数据中心网络中基于自适应切换粒度的负载均衡系统，包括：数据中心网络中的发送机、交换机以及接收机；
所述发送机用于设置并发送第一阈值和第二阈值，并向所述交换机发送数据流；
所述交换机用于接收所述数据流，判断所述数据流为长流或短流，得到第一判断结果，其中，所述长流为数据大小大于或等于预设数值的数据流，所述短流为数据大小小于所述预设数值的数据流；
所述交换机还用于判断当前路径中是否存在队列长度小于第一阈值的路由路径，得到第二判断结果；
所述交换机还用于根据所述第一判断结果、第二判断结果、第一阈值以及第二阈值，确定所述数据流的路由路径，通过所述路由路径，向所述接收机转发所述数据流；
所述接收机用于接收所述交换机转发的所述数据流。
进一步地，在本申请一种优选方式中，若所述第一判断结果为所述数据流为长流，且所述第二判断结果为当前路径中存在队列长度小于第一阈值的路由路径，则所述交换机还用于在队列长度小于第一阈值的路由路径中选择队列长度最长的路径作为所述长流对应的路由路径。
进一步地，在本申请一种优选方式中，所述交换机还用于判断当前所有路径的队列长度是否达到第一阈值，得到第三判断结果；
当所述第三判断结果为所有路径的队列长度达到第一阈值时，所述交换机选择小于第二阈值最长的路径作为长流路由路径。
进一步地，在本申请一种优选方式中，所述交换机还用于判断所有路径的队列长度是否达到第二阈值，得到第四判断结果；
当所述第四判断结果为所有路径的队列长度达到第二阈值时，所述交换机选择当前所有路径中队列长度最长的路径作为长流路由路径。
进一步地，在本申请一种优选方式中，所述交换机还用于在所述第一判断结果为所述数据流为短流时，确定当前所有路径中队列长度最短的路径作为所述短流对应的所述路由路径。
进一步地，在本申请一种优选方式中，所述交换机还用于向所述发送机回传显示拥塞通知。
进一步地，在本申请一种优选方式中，所述发送机还用于在接收到显示拥塞通知时，重新设置第一阈值和第二阈值，并重新与所述交换机同步所述第一阈值和第二阈值。
进一步地，在本申请一种优选方式中，所述接收机还用于将所述数据流提交至TCP层，并发送确认字符ACK至所述发送机。
进一步地，在本申请一种优选方式中，所述发送机还用于接收所述ACK。
本申请通过在交换机的缓冲区队列中设置两个阈值进行长流、短流选路操作，优先为短流选择队列长度最小的路由路径，确保了短流低时延；短流以流粒度选路确保了短流不乱序，长流的自适应粒度则可以保证流量的吞吐率；本申请采用短流流粒度、长流自适应切换粒度的方式来适应流量特点，以达到短流低时延、长流高吞吐的目的，其能够解决现有技术方案中短流的低时延、乱序以及长流的高吞吐之间无法平衡的问题，实时感知网络中链路负载情况、快速地实现网络流量的均衡。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的负载均衡系统中涉及的交换机的工作流程示意图。
通过上述附图，已示出本申请明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本申请构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本申请的概念。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本申请实施例中所使用的单数形式的“一种”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”、“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本申请可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本申请所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
本申请提供一种数据中心网络中基于自适应切换粒度的负载均衡系统，结合实施例具体阐述，图1为本申请实施例提供的负载均衡系统中涉及的交换机的工作流程示意图，如图1所示，所述系统包括：数据中心网络中的发送机、交换机以及接收机；所述发送机用于设置并发送第一阈值和第二阈值，并向所述交换机发送数据流；所述交换机用于接收所述数据流，判断所述数据流为长流或短流，得到第一判断结果，其中，所述长流为数据大小大于或等于预设数值的数据流，所述短流为数据大小小于所述预设数值的数据流；所述交换机还用于判断当前路径中是否存在队列长度小于第一阈值的路由路径，得到第二判断结果；所述交换机还用于根据所述第一判断结果、第二判断结果、第一阈值以及第二阈值，确定所述数据流的路由路径，通过所述路由路径，向所述接收机转发所述数据流；所述接收机用于接收所述交换机转发的所述数据流。
根据数据中心网络流量特征的不同，将数据流分为短流、长流。约80％的流量仅由约20％的吞吐量敏感长流提供，约80％的延迟敏感短流仅提供约20％的流量。因此，在数据中心网络的大环境中，如果所有流都以相同的粒度重路由，将会产生许多不良后果。长流和短流会争夺链路资源，短流容易出现长尾排队延迟，这将会导致延长短流的平均流完成时间，降低长流的吞吐量。因此，本申请针对短流和长流使用不同的切换粒度。本申请通过在交换机的缓冲区队列中设置两个阈值进行长流、短流选路操作，优先为短流选择最短路径，确保短流低时延；短流以流粒度选路确保短流不乱序，长流的自适应粒度则可以保证流量的吞吐率；由于数据中心网络中的流量特点是，大约80％的流量仅由大约20％的吞吐量敏感的长流提供，大约80％的延迟敏感的短流仅提供大约20％的流量，因此本申请采用短流流粒度、长流自适应切换粒度的方式来适应流量特点，以达到短流低时延、长流高吞吐的目的，其能够解决现有技术方案中短流的低时延、乱序以及长流的高吞吐之间无法平衡的问题，实时感知网络中链路负载情况、快速地实现网络流量的均衡。
需要进一步说明的是，在本申请实施例中，所述长流为数据大小大于或等于预设数值(例如100KB等)的所述数据流，所述短流为数据大小小于所述预设数值的所述数据流。
本申请提供的流量负载均衡系统，包括以下处理步骤：
S1、发送机设置第一阈值和第二阈值，并与交换机进行阈值同步，以使得所述交换机根据所述第一阈值和第二阈值进行数据流的路由路径的选择；
S2、发送机向交换机发送数据流；
S3、交换机接收数据流、第一阈值及第二阈值；
S4、交换机判断数据流为长流或短流，得到第一判断结果；
S5、交换机根据第一判断结果、第二判断结果、第一阈值以及第二阈值，确定数据流的路由路径，通过所述路由路径，向接收机转发所述数据流；
S51、若第一判断结果为数据流为短流，则选择队列长度最短路径作为短流的路由路径；
S52、若第一判断结果为数据流为长流，则判断当前所有路径中是否存在队列长度小于第一阈值的路由路径，得到第二判断结果；
S521、若第二判断结果为当前所有路径中存在队列长度小于第一阈值的路由路径，则交换机在队列长度小于第一阈值的路由路径中选择队列长度最长的路径作为所述长流对应的路由路径；
S522、交换机判断当前所有路径的队列长度是否达到第一阈值，得到第三判断结果；当所述第三判断结果为所有路径的队列长度达到第一阈值时，所述交换机选择小于第二阈值最长的路径作为长流路由路径；
S523、所述交换机还用于判断所有路径的队列长度是否达到第二阈值，得到第四判断结果；当所述第四判断结果为所有路径的队列长度达到第二阈值时，所述交换机选择当前所有路径中队列长度最长的路径作为长流路由路径；
S6、交换机将数据流转发给接收机，同时交换机回传显示拥塞通知至发送机；
S7、接收机接收数据流，发送机通过接收到的显示拥塞通知计算阈值；
S8、接收机将数据流提交至TCP层；
S9、接收机发送确认字符(Acknowledgement，ACK)给发送机；
S10、发送机接收ACK。
具体地，在本申请实施例中，所述交换机以流粒度选路确保所述短流不乱序，以自适应粒度选路保证所述长流的高吞吐率，通过优先为所述短流选择最短路径，确保所述短流的低时延。
需要说明的是，在本申请实施例中，当所有队列长度都超过第二阈值时，长流选择所有队列中的最长的路径作为路由路径，并以flowlet粒度作为切换粒度。只有当数据包与上一个数据包之间的时间间隔超过500μs时才会重新选择路径，将长流将重新路由到所有队列中队列长度最长的其他端口。
需要进一步说明的是，在本申请实施例中，当所述短流和所述长流以相同的粒度被重新路由时，所述短流容易经历长尾排队延迟，因为短流在长流的压倒性数据下难以抓住不太拥塞的路径，因此通过将当前所有路径中队列长度最短的路径作为短流对应的路由路径，能够减少所述短流的等待时间，缩短所述短流的延迟，提高所述短流的传输效率。
具体地，在本申请实施例中，若所述第一判断结果为所述数据流为长流，且所述第二判断结果为当前所有路径中存在队列长度小于第一阈值的路由路径，则所述交换机还用于在队列长度小于第一阈值的路由路径中选择队列长度最长的路径作为所述长流对应的路由路径。
具体地，在本申请实施例中，所述交换机还用于判断当前所有路径的队列长度是否达到第一阈值，得到第三判断结果；
当所述第三判断结果为所有路径的队列长度达到第一阈值时，所述交换机选择小于第二阈值最长的路径作为长流路由路径。
具体地，在本申请实施例中，所述交换机还用于判断所有路径的队列长度是否达到第二阈值，得到第四判断结果；
当所述第四判断结果为所有路径的队列长度达到第二阈值时，所述交换机选择当前所有路径中队列长度最长的路径作为长流路由路径。
更为具体地阐述，在本申请实施例中，所述发送机判断收到所述交换机回传的显示拥塞通知后，采用队列管理策略，重新设置所述第一阈值和所述第二阈值，并同步至所述交换机，以使得所述交换机根据重新设置的所述第一阈值和所述第二阈值，以确定所述长流的路由路径，实现所述长流的高吞吐率。
具体地，在本申请实施例中，所述交换机还用于在所述第一判断结果为所述数据流为短流时，确定当前所有路径中队列长度最短的路径作为所述短流对应的所述路由路径。
需要进一步说明的是，在本申请实施例中，本申请采用主动队列管理(ActiveQueue Management，AQM)策略，该策略通过在队列中等待传输的数据包数量来调节数据传输速率，以确保网络的稳定性和可靠性。在AQM中，接收机会向发送机发送拥塞信号，以使得发送机获取当前接收机正在发生拥塞的情况，从而帮助发送机和接收机更好地管理网络流量。在交换机队列达到所述第一阈值或者所述第二阈值时，结合所述显示拥塞通知(Explicit Congestion Notification，ECN)将阈值信息反馈给所述发送机，所述发送机接收到所述显示拥塞通知后重新设置所述第一阈值和第二阈值，并同步至所述交换机，以使得所述交换机快速为所述长流确定路由路径。
在流量发送初期，交换机选择小于第一阈值的最长路由路径，切换粒度为第一阈值，即到第一阈值就换路；等交换机内所有端口的队列长度都到达第一阈值，此时长流选择小于第二阈值的最长路径，切换粒度为第二阈值，即到第二阈值就换路。对于短流，它们具有低延迟传输要求。在路由时，为了使等待时间最小化，短流总是选择链路上队列长度最小的队列。此外，传输将基于短流的传输粒度进行，以避免无序造成的传输延迟。通过上述方式，能够实时感知网络中链路负载情况，快速在所述交换机连接的路径上实现网络流量的均衡。
需要进一步说明的是，在本申请实施例中，关于第一阈值、第二阈值与选择的路由路径之间的理论关系的解释如下：
K表示所有等价路径的数量，包括为PS短流和Pl长流分配的KS和Kl路径，Kl表示有所述长流到达的路径，G和R分别表示瓶颈链路容量和往返传播延迟。
假设平均大小为XS字节的PS短流与平均大小为Xl字节的Pl长流通过平均完成时间为FCT的K路径传输。那么，流量发送初期根据现有短流负载与链路容量的比率计算第一负载强度:
当流量发送到后期，交换机上所有队列都超过第一阈值Q1，根据后期长流和短流负载与链路容量的比率计算第二负载强度：
其中，Pl′表示流量发送后期的长流数。
在传输过程中，默认情况下，长流传输到第一阈值内的最长队列端口，当正在传输的长流的队列长度大于第一阈值Q1，则长流将被重新路由到第一阈值内的下一个最长队列端口。在链路上传输的长数据包流(Q1·Kl)以及在链路上排队的长流数据包数量(Kl·t·G)等于长流中的数据总量：
Q1·Kl+Kl·t·G＝Pl·Xl；
同理，流量发送后期长流的队列长度大于第二阈值Q2，长流也将被重新路由，并且它将被重新路由到第二阈值内的下一个最长队列端口。在链路上传输的长数据包流(Q2·Kl)以及在链路上排队的数据包数量(K·t·G)等于长流和短流的数据总量，具体表示为：
Q2·Kl+K·t·G＝Pl′·Xl+PS·XS；
对于短流，平均流完成时间FCTS包括排队和传输延迟，即：
其中，XS是短流的平均流大小，是传输延迟，n是完成短流传输的R回合数，C[W]·n是n轮所述短流的预期排队延迟。
其中，C[W]是每个数据包的预期平均排队延迟，并表示链路带宽。当数据包到达交换机时，排队延迟由队列中现有数据包的数量决定。对于具有先到先服务(First ComeFirst Served，FCFS)排队规则的M/G/1-FCFS队列，使用Pollaczek-Khintchine公式获得预期平均排队延迟，如下所示：
其中，δ是负载强度，C[S]是单个数据包的服务时间，其值为 是服务时间分布的变异系数。
由于交换机输出端口的服务速率固定为G，因此等于0。因此，得到：
在数据中心，大约80％的TCP流小于100KB，短流大多在慢启动阶段结束，其中每个流首先发送2个数据包，然后是4、8、16个等。因此，完成大小为XS字节的短流传输的R回合数n计算如下：
因此，根据上述第一负载强度、在链路上传输的长数据包流以及在链路上排队的长流数据包数量等于长流中的数据总量、对于短流的平均流完成时间和每个数据包的预期平均排队延迟的相关内容，我们可以得到与第一阈值相关的短流的FCT公式如下：
根据上述第二负载强度、在链路上传输的长数据包流以及在链路上排队的数据包数量等于长流和短流的数据总量、对于短流的平均流完成时间和每个数据包的预期平均排队延迟的相关内容，我们可以得到与第二阈值相关的短流的AFCT公式如下：
最后，我们可以得到第一阈值的表达式：
第二阈值的表达式为:
Z2＝Ps·Xs+Pl′·Xl。
由上所述，本申请实施例涉及的一种数据中心网络中基于自适应切换粒度的负载均衡系统，通过使用两个阈值将长短流在空间上没有隔开的同时利用阈值的动态变化以及长短流选路的不同，实现了短流的低延时以及长流的高吞吐，并在短流以流粒度的基础上，保证短流不会乱序；该申请基于交换机内的缓冲区队列的两个阈值，利用阈值的动态变化设计长短流的重路由方式，一旦部署便立即服务于所有流量，该负载均衡机制能实时感知网络中链路负载情况，可快速地在交换机出端口连接的路径上实现网络流量的均衡，且不需要定制交换机，商用交换机的基础上就能达到理想状态，其能够解决现有技术方案中短流的低时延、乱序以及长流的高吞吐之间无法平衡的问题，实时感知网络中链路负载情况、快速地实现网络流量的均衡。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的申请后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求书指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求书来限制。

Claims (9)

1.一种数据中心网络中基于自适应切换粒度的负载均衡系统，其特征在于，包括：数据中心网络中的发送机、交换机以及接收机；
所述发送机用于设置并发送第一阈值和第二阈值，并向所述交换机发送数据流；
所述交换机用于接收所述数据流，判断所述数据流为长流或短流，得到第一判断结果，其中，所述长流为数据大小大于或等于预设数值的数据流，所述短流为数据大小小于所述预设数值的数据流；
所述交换机还用于判断当前路径中是否存在队列长度小于第一阈值的路由路径，得到第二判断结果；
所述交换机还用于根据所述第一判断结果、第二判断结果、第一阈值以及第二阈值，确定所述数据流的路由路径，通过所述路由路径，向所述接收机转发所述数据流；
所述接收机用于接收所述交换机转发的所述数据流。
2.根据权利要求1所述的数据中心网络中基于自适应切换粒度的负载均衡系统，其特征在于，若所述第一判断结果为所述数据流为长流，且所述第二判断结果为当前路径中存在队列长度小于第一阈值的路由路径，则所述交换机还用于在队列长度小于第一阈值的路由路径中选择队列长度最长的路径作为所述长流对应的路由路径。
3.根据权利要求2所述的数据中心网络中基于自适应切换粒度的负载均衡系统，其特征在于，所述交换机还用于判断当前所有路径的队列长度是否达到第一阈值，得到第三判断结果；
当所述第三判断结果为所有路径的队列长度达到第一阈值时，所述交换机选择小于第二阈值最长的路径作为长流路由路径。
4.根据权利要求3所述的数据中心网络中基于自适应切换粒度的负载均衡系统，其特征在于，所述交换机还用于判断所有路径的队列长度是否达到第二阈值，得到第四判断结果；
当所述第四判断结果为所有路径的队列长度达到第二阈值时，所述交换机选择当前所有路径中队列长度最长的路径作为长流路由路径。
5.根据权利要求1所述的数据中心网络中基于自适应切换粒度的负载均衡系统，其特征在于，所述交换机还用于在所述第一判断结果为所述数据流为短流时，确定当前所有路径中队列长度最短的路径作为所述短流对应的所述路由路径。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的数据中心网络中基于自适应切换粒度的负载均衡系统，其特征在于，所述交换机还用于向所述发送机回传显示拥塞通知。
7.根据权利要求6所述的数据中心网络中基于自适应切换粒度的负载均衡系统，其特征在于，所述发送机还用于在接收到显示拥塞通知时，重新设置第一阈值和第二阈值，并重新与所述交换机同步所述第一阈值和第二阈值。
8.根据权利要求1所述的数据中心网络中基于自适应切换粒度的负载均衡系统，其特征在于，所述接收机还用于将所述数据流提交至TCP层，并发送确认字符ACK至所述发送机。
9.根据权利要求8所述的数据中心网络中基于自适应切换粒度的负载均衡系统，其特征在于，所述发送机还用于接收所述ACK。
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