CN117376261A - 一种基于p4的链路和设备状态加权负载均衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于P4的链路和设备状态加权负载均衡方法，涉及网络数据中心技术领域，该方法是一种数据平面加权机制，用于在DCN网络使用链路和设备状态信息建模拥塞进行负载均衡，使用基于探针的拥塞信息收集子系统。它采用周期性探测的方式来收集拥塞信息，并且使用收集的拥塞信息逐步计算和更新每条路径的加权概率以及交换机存储每条路径的加权概率。利用存储的路径权重计算出的多个最优路由路径来分割到达的分组。利用Flowlet粒度来增强负载均衡过程，Flowlet将流划分成分组分发，而不需要在目的地处对分组重新排序。因此，该方法针对流内的不同的细流执行加权路径选择，减少分组丢失。

Description

一种基于P4的链路和设备状态加权负载均衡方法

技术领域

本发明涉及网络数据中心技术领域，特别涉及一种基于P4的链路和设备状态加权负载均衡方法。

背景技术

不断增长的数据存储、传输和处理需求让网络运营商面临的前所未有的挑战。而数据中心为满足这些需求的核心基础设施，提供了部署新型网络服务和应用的环境。多根拓扑作为数据中心的主要架构而兴起，以减轻复杂的工作负载影响。这些拓扑结构允许大规模的多路径传输以分配工作流量负载。

负载均衡为一种在多个系统、设备或者网络资源中，将负载分配到多个节点上，以实现资源的合理利用和优化系统性能的过程。负载均衡技术可以在不影响系统稳定性和可用性的前提下，提高系统的吞吐量、响应时间和可靠性。常用的负载均衡技术如ECMP(EqualCost Multipath)为一种基于路由选择的负载均衡技术，可以将网络流量平均地分配到多条相同的路径上，以实现负载均衡和提高网络性能。然而，均匀分布的工作负载可能会降低网络性能，因为流量为平衡的，没有考虑到网络拥塞，导致瓶颈特定的链路。新型的基于P4的拥塞感知和加权负载均衡机制(诸如HULA、CONGA)已经成功地解决了这种情况。尽管如此，这些方案只为估计网络拥塞使用的链路状态信息，而不考虑交换机的队列占用。基于P4的负载均衡机制，克服了以往的局限性。所提出的机制适合在负载均衡算法的链路和设备状态信息的基础上加权概率来分裂到达流。使用设备状态信息允许该机制准确地表征网络的拥塞，从而提高路由性能。

发明内容

本发明提供一种基于P4的链路和设备状态加权负载均衡方法，以解决上述背景技术中提出数据中心网络拥塞以及分组丢失的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种基于P4的链路和设备状态加权负载均衡方法，包括基于探针的加权负载平衡机制，利用P4提供的数据平面可编程功能来实现所提出的机制；由以下子系统组成：

(1)基于探针的拥塞信息收集子系统：该子系统利用链路和设备的状态信息估计源和目的地之间每条现有路径的拥塞；

(2)加权路径选择子系统：该子系统依赖于概率负载平衡方法来计算到达流的多个最优路径；它使用在拥塞信息收集子系统中计算的路径权重来设置选择每个路径的概率区间。

优选的，拥塞收集子系统：边缘交换机的职责为沿着连接源地址和目的地址的不同路径发送探针包；因此，这些交换机必须协调以下任务：

A1.随机选择源地址和目的地址之间的路由路径来探测其拥塞；

A2.根据所选择的路由路径来选择探测的下一跳；

A3.通过相同的路径将探针转发回目的地址；

A4.一旦路径被探测，它们重复先前的步骤以通过所有可用路径探测拥塞；一旦探测到所有路径，边缘交换机将知道整个网络的拥塞情况；然而，边缘交换机必须重新更新由于不断变化的业务条件的网络拥塞；因此，边缘交换机将根据创建的探针重复先前的步骤。

优选的，一旦从边缘交换机发送了探针，我们就需要利用交换机制，以便在设置的路径上传输探针，核心聚合交换机必须协调以下任务：

B1.沿着所选路径的每个交换机需要找到关于该路径的下一跳链路；

B2.每个交换机必须更新所选择的路径id字段，因为随后的上游交换机使用来自该字段的最后一位来找到其下一跳链路；

B3.交换机需要记录所选择的路径用来在目的边缘交换机中传输它，转发回探针，并在源边缘交换机处记录探测的路径；

B4.当每个交换机接收到探针时，它将更新加权拥塞字段。

优选的，权重路径选择子系统：一旦探测到每条路径，该子系统就开始运行；它使用在基于探测器的拥塞信息收集子系统中计算的权重来为每条路径设置选择的概率间隔；然后，根据每条路径的选择间隔选择一条路由路径；该子系统完全在边缘交换机中运行。

优选的，将保存探针路径的寄存器表示为random_path_reg，保存路径利用率的寄存器表示为utilization_reg，必须确保每个路径都已经被探测，也就为一开始就将random_path_reg设置为1；将选择的路径表示为path_id，初始化权重总和weights_sum和路径总和paths；做好以上的准备工作之后，执行以下步骤：

C1.边缘交换机从当前路径读取利用率utilization_reg，并将其存储在临时变量路径权重path_weight中；

C2.边缘交换机将当前路径权重path_weight添加到权重总和weights_sum；

C3.边缘交换机为每条路径创建一个路径权重X变量path_weight_X，其中X表示当前路径；因此，该变量将存储累积的路径权重表示选择的X路径的间隔；

C4.边缘交换机在0和权重总和weights_sum之间生成随机数；它们将这个值存储在一个名为随机选择值random_selection的变量中；

C5.边缘交换机将随机选择值random_selection与每个路径权重path_weight_X进行比较，其中X表示可能的路径；因此，如果随机选择值适合两个连续路径的间隔，则边缘交换机将执行选择path_id；

C6.边缘交换机选择对应于路径权重path_weight_X的路由路径，将path_id变量存储在这里。

优选的，边缘交换机将使用通过上述步骤计算的路径路由流量，该路由过程和核心聚合交换机完成探测分组之后的路由过程一致。

优选的，数据平面通过使用链路状态和设备状态信息计算的最佳路径来分割流量，以估计网络拥塞。

由于采用了上述技术方案，本发明相对现有技术来说，取得的技术进步为：

1、本发明提供一种基于P4的链路和设备状态加权负载均衡方法，该路由过程和核心聚合交换机完成探测分组之后的路由过程一致。

2、本发明提供一种基于P4的链路和设备状态加权负载均衡方法，数据平面通过使用链路状态和设备状态信息计算的最佳路径来分割流量，以估计网络拥塞。

附图说明

图1为本发明实施例的系统总概图；

图2为本发明的探针包头部格式示意图；

图3为本发明的拥塞信息收集子系统处理示意图；

图4为本发明的样本路径权重图；

图5为本发明的累积路径权重和每条路径的选择概率图；

图6为本发明的控制平面分析结果示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

一种基于P4的链路和设备状态加权负载均衡方法，包括基于探针的加权负载平衡机制，利用P4提供的数据平面可编程功能来实现所提出的机制；由以下子系统组成：

(1)基于探针的拥塞信息收集子系统：该子系统利用链路和设备的状态信息估计源和目的地之间每条现有路径的拥塞；

(2)加权路径选择子系统：该子系统依赖于概率负载平衡方法来计算到达流的多个最优路径；它使用在拥塞信息收集子系统中计算的路径权重来设置选择每个路径的概率区间。

拥塞收集子系统：边缘交换机的职责为沿着连接源地址和目的地址的不同路径发送探针包；因此，这些交换机必须协调以下任务：

A1.随机选择源地址和目的地址之间的路由路径来探测其拥塞；

A2.根据所选择的路由路径来选择探测的下一跳；

A3.通过相同的路径将探针转发回目的地址；

A4.一旦路径被探测，它们重复先前的步骤以通过所有可用路径探测拥塞；一旦探测到所有路径，边缘交换机将知道整个网络的拥塞情况；然而，边缘交换机必须重新更新由于不断变化的业务条件的网络拥塞；因此，边缘交换机将根据创建的探针重复先前的步骤。

一旦从边缘交换机发送了探针，我们就需要利用交换机制，以便在设置的路径上传输探针，核心聚合交换机必须协调以下任务：

B1.沿着所选路径的每个交换机需要找到关于该路径的下一跳链路；

B2.每个交换机必须更新所选择的路径id字段，因为随后的上游交换机使用来自该字段的最后一位来找到其下一跳链路；

B3.交换机需要记录所选择的路径用来在目的边缘交换机中传输它，转发回探针，并在源边缘交换机处记录探测的路径；

B4.当每个交换机接收到探针时，它将更新加权拥塞字段。

权重路径选择子系统：一旦探测到每条路径，该子系统就开始运行；它使用在基于探测器的拥塞信息收集子系统中计算的权重来为每条路径设置选择的概率间隔；然后，根据每条路径的选择间隔选择一条路由路径；该子系统完全在边缘交换机中运行。

将保存探针路径的寄存器表示为random_path_reg，保存路径利用率的寄存器表示为utilization_reg，必须确保每个路径都已经被探测，也就为一开始就将random_path_reg设置为1；将选择的路径表示为path_id，初始化权重总和weights_sum和路径总和paths；做好以上的准备工作之后，执行以下步骤：

C1.边缘交换机从当前路径读取利用率utilization_reg，并将其存储在临时变量路径权重path_weight中；

C2.边缘交换机将当前路径权重path_weight添加到权重总和weights_sum；

C3.边缘交换机为每条路径创建一个路径权重X变量path_weight_X，其中X表示当前路径；因此，该变量将存储累积的路径权重表示选择的X路径的间隔；

C4.边缘交换机在0和权重总和weights_sum之间生成随机数；它们将这个值存储在一个名为随机选择值random_selection的变量中；

C5.边缘交换机将随机选择值random_selection与每个路径权重path_weight_X进行比较，其中X表示可能的路径；因此，如果随机选择值适合两个连续路径的间隔，则边缘交换机将执行选择path_id；

C6.边缘交换机选择对应于路径权重path_weight_X的路由路径，将path_id变量存储在这里。

边缘交换机将使用通过上述步骤计算的路径路由流量，该路由过程和核心聚合交换机完成探测分组之后的路由过程一致。

数据平面通过使用链路状态和设备状态信息计算的最佳路径来分割流量，以估计网络拥塞。

如图1所示，流量生成：使用数据挖掘经验工作负载来生成DCN网络流量，模拟现实的DCN流量条件。

进行基于P4交换机的链路和设备状态的加权以及路径选择，计算出最佳路径以分割流量。利用基于探针的拥塞信息收集子系统以及权重路径子系统进行整个链路负载信息的探路以及收集工作，同时根据探测的结果进行计算，为每条路径设置概率间隔，然后根据间隔来选择路由路径，让转发设备实现最佳路径的转发工作

利用D-ITG来测量网络负载的每个值的机制性能。D-ITG从D-ITG客户端和服务器之间的通信返回性能参数。客户端和服务器位于不同的pod，以利用网络的二分带宽。此外，发送一个64512字节的D-ITG包到服务器，以监测传输性能。在通信结束时，D-ITG检测包含通信分组丢失、平均延迟和平均吞吐量。

如图2所示，包括以下字段：

pod_dir(8bits)：此字段在边缘交换机中设置，用于标识核心交换机中源通信pod的位置；

selected_path_id(8bits)：该字段在边缘交换机中根据拥塞路径信息设置，用于指示到达流的选定路径。此外，核心交换机和聚合交换机也使用该字段来计算下一跳；

output_tag(8bits)：该字段在每个交换机中计算下一跳后进行更新。它的值(即0或1)表示在交换机上跟随的上行链路。它用于跟踪所采取的路径；

tag_pat_id(8bits):该字段在所选的路由路径中的每个交换机中逐跳构建，以便在目标边缘交换机中传达该路径。此外，该字段与输出标记组合使用，可以跟踪所采取的路径；

edge_flag(8bits)：该字段在目标边缘交换机中设置为1。它用于区分返回到源边缘交换机的探测请求；

weighted_congestion(32bits)：该字段用于使用路径上每个交换机的逐跳拥塞信息计算探测请求采取的路由路径的权重。此外，边缘交换机使用探测请求收集的每个路径的最大利用率来计算到达流的路径。

如图3所示，包括以下步骤：

边缘交换机只需要在连接源边缘交换机和目标聚合交换机之间的八条多条路径中随机选择一条路径。这条路径被存储在探针的头部字段selected_path_id中作为一个二进制数。首先，假设选择的路径是加粗的路径。其次，由于每个交换机都连接着两个不同的上行链路，我们可以通过二进制数(即0和1)来区分每个链路。因此，向上的链路被映射为0，向下的链路被映射为1。接着前面的过程在源边缘交换机和目标pod中最后一个聚合交换机之间的每个交换机中执行。在源pod中聚合和边缘交换机之间的连接不使用前面的步骤进行映射，因为可以使用目标地址轻松发现该连接。此外，将该链接映射为二进制数将增加边缘交换机中维护的条目数以存储路径的拥塞。最后，每个比特从右到左连接起来，以生成路径的二进制数。这个数字存储在selected_path_id字段中。边缘交换机计算两个可能的上游链路中的下一跳，使用先前选择的路径通过该路径发送探测。

每个聚合核心交换机将拥塞计算为权重，并记录其值在探针加权拥塞字段中。聚合核心交换机更新标签路径id字段以跟踪所选择的路径。最后，目标边缘交换机还使用其拥塞情况更新加权拥塞字段，将边缘标志字段设置为1，并将探针沿着相同的路径转发回原边缘交换机。

源边缘交换机必须重复之前的过程，沿着所有可用路径发送收集探针。因此，边缘交换机使用机制来识别已探测的路径。随着探针数据包返回到源边缘交换机，它们对标签路径id和边缘标志字段进行哈希以记录已探测的路径。利用random_path_reg的八位寄存器来为不同的路由路径存储这些信息。利用utilization_reg的32位寄存器，用于存储路径权重，哈希传入探针的边缘标志和加权拥塞字段。

一旦网络拥塞被探测到，该机制将根据计算出的权重路由到达的流量。随着时间的推移，网络拥塞情况将发生变化。因此，该机制必须重新探测路径的拥塞情况以重新计算权重。因此，边缘交换机必须定期重复以上步骤的探针过程。使用定时器重新启动随机路径寄存器来完成此任务，强制边缘交换机再次探测网络拥塞情况。为该机制提供了一个称为探测频率的参数，用于建立定期重新计算权重的时间间隔。

核心聚合交换机具体执行流程如下：

首先，每个沿着所选路径的交换机都需要找到下一跳链路。交换机从接收到的探针中读取选定路径id字段以计算下一跳。每个交换机使用布尔AND运算符操作选定路径的二进制表示。因此，交换机操作读取selected_path_id使用AND运算二进制数1以隔离所选路径的最后一位。由于选定路径id是从右到左构建的，因此该位表示每个交换机中的下一跳。利用路径的二进制映射策略来查找路径中每个交换机上的下一跳，每个selected_path_id位表示每个交换机中的两个可能的上行链路。

其次，每个交换机都必须更新selected_path_id字段，因为后续的上行交换机使用该字段的最后一位来查找其下一跳链路。因此，每个交换机通过算术右移1位来操作选定路径id值。该操作的结果在将探针转移到下一跳之前更新到选定路径id探针字段中。

交换机需要跟踪选定路径以在目标边缘交换机中传递选定路径id，将探针转发回去，并在源边缘交换机中记录已探测的路径。交换机需要逐跳重写选定路径id值以找到下一跳。核心聚合交换机提供了跟踪选定路径的系统。该机制通过逐跳覆盖探针的tag_path_id和output_tag_fields字段来执行。首先，output_tag_fields字段跟踪在先前交换机中采取的上行链路(即在每个交换机中找到的下一跳)。然后，每个交换机使用布尔OR运算符操作output_tag和tag_path_id字段。该操作允许将此output_tag存储在tag_path_id的最后一位中。接下来，交换机通过算术左移1位操作tag_path_id，以从右到左记录每个交换机采集的output_tag字段。然后，交换机将更新后的标签路径id值和对应于其下一跳方向计算的新输出标签重写到探针中。交换机将此探针发送到上行下一跳交换机，后者重复之前的过程以逐跳的方式重建所采取的路径。最后，目标边缘交换机向后读取探针的tag_path_id并将其存储在selected_path_id字段中。因此，目标交换机可以将探针转发到源边缘交换机。

如图4和图5所示，为了说明本发明的功能，让我们假设每条路径都表示图4中的权重。如图5所示，边缘交换机将使用这些路径权重来创建八个不同的变量，命名为路径权重X(其中X表示可能的路径)，以记录累积的路径权重，直到X路径。因此，边缘交换机随机选择值将与这些路径权重X进行比较以选择路由路径。表的间隔路径权重行表示每个路径的选择间隔。因此，我们可以计算每个路径选择概率。

通过图5我们可以看到，尽管存在最可能的路径，算法不会总是选择它们来避免瓶颈。此外，具有较低权重的路径具有较少的被选择的可能性，因为它们处于高拥塞水平。

因此，我们的机制对于一个流中的不同流量块执行先前的加权路径选择，以使从到达流中到达的数据包沿多个最优路径进行负载平衡。边缘交换机通过比较连续数据包之间的间隔时间(即间隔时间)和预先设定的阈值来形成到达数据包的流量块。因此，如果间隔时间较长，传入数据包将形成流量块。因此，当连续数据包之间的间隔时间超过阈值时，边缘交换机将建立新的流量块。我们设置一个较高的阈值来避免数据包重排序，因为这确保了连续流量块之间的时间间隔大于数据包的延迟。

如图6所示，评估拓扑：在仿真的3层胖树拓扑中实现，此拓扑由两个核心交换机连接的两个Pod组成。每个pod包含连接两个边缘交换机的两个聚合交换机。

丢包率分析：在小的负载百分比下，性能几乎相同，因为在这些情况下，网络的可用带宽足够高以提供与高业务负载网络场景相比更大的容限。较高的负载百分比下，整体网络带宽减少，因此流路由机制需要精确地选择路由路径以适当地利用平分带宽(即，避免在最拥塞的路径上转发)。因此，与加权机制相比，ECMP在这种情况下表现出最差的性能，因为它执行概率负载平衡而不考虑路径的拥塞状况。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只为说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种基于P4的链路和设备状态加权负载均衡方法，其特征在于：包括基于探针的加权负载平衡机制，利用P4提供的数据平面可编程功能来实现所提出的机制；由以下子系统组成：

(1)基于探针的拥塞信息收集子系统：该子系统利用链路和设备的状态信息估计源和目的地之间每条现有路径的拥塞；

(2)加权路径选择子系统：该子系统依赖于概率负载平衡方法来计算到达流的多个最优路径；它使用在拥塞信息收集子系统中计算的路径权重来设置选择每个路径的概率区间。

2.根据权利要求1所述的一种基于P4的链路和设备状态加权负载均衡方法，其特征在于：拥塞收集子系统：边缘交换机的职责为沿着连接源地址和目的地址的不同路径发送探针包；因此，这些交换机必须协调以下任务：

A1.随机选择源地址和目的地址之间的路由路径来探测其拥塞；

A2.根据所选择的路由路径来选择探测的下一跳；

A3.通过相同的路径将探针转发回目的地址；

A4.一旦路径被探测，它们重复先前的步骤以通过所有可用路径探测拥塞；一旦探测到所有路径，边缘交换机将知道整个网络的拥塞情况；然而，边缘交换机必须重新更新由于不断变化的业务条件的网络拥塞；因此，边缘交换机将根据创建的探针重复先前的步骤。

3.根据权利要求1所述的一种基于P4的链路和设备状态加权负载均衡方法，其特征在于：一旦从边缘交换机发送了探针，我们就需要利用交换机制，以便在设置的路径上传输探针，核心聚合交换机必须协调以下任务：

B1.沿着所选路径的每个交换机需要找到关于该路径的下一跳链路；

B2.每个交换机必须更新所选择的路径id字段，因为随后的上游交换机使用来自该字段的最后一位来找到其下一跳链路；

B3.交换机需要记录所选择的路径用来在目的边缘交换机中传输它，转发回探针，并在源边缘交换机处记录探测的路径；

B4.当每个交换机接收到探针时，它将更新加权拥塞字段。

4.根据权利要求1所述的一种基于P4的链路和设备状态加权负载均衡方法，其特征在于：权重路径选择子系统：一旦探测到每条路径，该子系统就开始运行；它使用在基于探测器的拥塞信息收集子系统中计算的权重来为每条路径设置选择的概率间隔；然后，根据每条路径的选择间隔选择一条路由路径；该子系统完全在边缘交换机中运行。

5.根据权利要求1所述的一种基于P4的链路和设备状态加权负载均衡方法，其特征在于：将保存探针路径的寄存器表示为random_path_reg，保存路径利用率的寄存器表示为utilization_reg，必须确保每个路径都已经被探测，也就为一开始就将random_path_reg设置为1；将选择的路径表示为path_id，初始化权重总和weights_sum和路径总和paths；做好以上的准备工作之后，执行以下步骤：

C1.边缘交换机从当前路径读取利用率utilization_reg，并将其存储在临时变量路径权重path_weight中；

C2.边缘交换机将当前路径权重path_weight添加到权重总和weights_sum；

C3.边缘交换机为每条路径创建一个路径权重X变量path_weight_X，其中X表示当前路径；因此，该变量将存储累积的路径权重表示选择的X路径的间隔；

C4.边缘交换机在0和权重总和weights_sum之间生成随机数；它们将这个值存储在一个名为随机选择值random_selection的变量中；

C5.边缘交换机将随机选择值random_selection与每个路径权重path_weight_X进行比较，其中X表示可能的路径；因此，如果随机选择值适合两个连续路径的间隔，则边缘交换机将执行选择path_id；

C6.边缘交换机选择对应于路径权重path_weight_X的路由路径，将path_id变量存储在这里。

6.根据权利要求5所述的一种基于P4的链路和设备状态加权负载均衡方法，其特征在于：边缘交换机将使用通过上述步骤计算的路径路由流量，该路由过程和核心聚合交换机完成探测分组之后的路由过程一致。

7.根据权利要求1所述的一种基于P4的链路和设备状态加权负载均衡方法，其特征在于：数据平面通过使用链路状态和设备状态信息计算的最佳路径来分割流量，以估计网络拥塞。