TW201329741A - 動態佇列臨界值限制方法、能實現動態佇列臨界值限制的交換機及其系統 - Google Patents

動態佇列臨界值限制方法、能實現動態佇列臨界值限制的交換機及其系統 Download PDF

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Abstract

本發明提供了一種分級適應性動態出口埠和佇列緩衝區管理的系統和方法。對商用共用記憶體緩衝區交換機中的緩衝資源的有效利用對於最小化封包丟失至關重要。透過由適應性埠限制導出的適應性佇列限制能實現對緩衝資源的有效利用。

Description

動態佇列臨界值限制方法、能實現動態佇列臨界值限制的交換機及其系統
本發明總體上涉及網路交換機，更具體地，涉及一種用於分級適應性動態出口埠(egress port)和佇列緩衝區管理的系統和方法。
對資料通訊基礎設施的需求不斷增長。在商用共用記憶體片上緩衝交換機設計中，緩衝資源的有效利用是最小化幀丟失的關鍵因素。當超過交換機中的封包緩衝區容量時，可備份封包緩衝區且可能發生封包丟失。應當理解，這種封包丟失可能顯著影響整個應用行為。
當今網路設備的趨勢是每個埠不斷增長的佇列數。這例如可能透過網路基礎設施中增長的虛擬化使用而產生。這種每個埠的佇列數的上升會對可確定封包丟失的潛在性的流量(traffic)管理能力產生不斷增長的需求。
對於某些類型的流量，封包丟失可對網路服務和應用產生很小甚至不產生影響。然而，在資料中心應用中，封包丟失可能是不可接受的。因此，需要的是能實現分級適應性動態出口埠和佇列緩衝區管理的機制。
本發明提供了一種能實現動態佇列臨界值限制的交換機，包括：共用記憶體緩衝區；多個埠，所述多個埠中的第一埠耦接至具有多個虛擬機的網路裝置，其中，所述多個虛擬機中的每個虛擬機具有與多個流量類別相關聯的多個佇列；以及控制模組，其確定針對所述多個虛擬機中的每個虛擬機的限制，其中，針對所述多個虛擬機中的第一虛擬機的虛擬機限制被確定為針對所述第一埠的埠限制的一部分(fraction，分數)，透過將所述共用記憶體緩衝區的未用剩餘部分乘以分配給所述第一埠的突發吸收因子來確定針對所述第一埠的所述埠限制，所述控制模組還確定針對與所述第一虛擬機相關聯的多個佇列中的每個佇列的佇列限制，針對與所述第一虛擬機相關聯的所述多個佇列中的每個佇列的所述佇列限制表示針對所述第一虛擬機的所述虛擬機限制的一部分。
上述交換機中，所述第一虛擬機上的所述多個佇列共用所述埠限制的分配的百分比。
上述交換機中，向所述第一虛擬機上的所述多個佇列中的每個佇列分配所述虛擬機限制的所述分配的百分比的一部分。
上述交換機中，所述突發吸收因子小於1。
本發明提供了一種動態佇列臨界值限制方法，包括：將突發吸收因子分配給交換機上的埠，所述埠經由網路通訊線纜耦接至網路裝置；識別所述交換機中的共用記憶體緩衝區的未用部分的量；透過將分配給所述埠的所述突發吸收因子乘以所述共用記憶體緩衝區的所述未用部分的所識別的所述量來確定針對所述埠的埠限制；確定針對所述網路裝置上的虛擬機的虛擬機限制，所述虛擬機限制表示所確定的所述埠限制的一部分；以及確定針對與所述網路裝置上的所述虛擬機相關聯的多個佇列中的每個佇列的佇列限制，其中，所分配的所述佇列限制中的每個佇列限制是所確定的所述虛擬機限制的一部分。
上述方法中，所述分配包括分配小於1的突發吸收因子。
本發明提供了一種能實現動態佇列臨界值限制的系統，包括：共用記憶體緩衝區；多個埠，所述多個埠中的第一埠耦接至具有多個虛擬機的網路裝置，其中，所述多個虛擬機中的每個虛擬機具有與多個流量類別相關聯的多個佇列；以及控制模組，其確定針對所述多個虛擬機上的所述多個佇列中的每個佇列的佇列限制，其中，所述佇列限制被確定為針對所述第一埠的埠限制的分數部(fractional part)，透過將所述共用記憶體緩衝區的未用剩餘部分乘以分配給所述第一埠的突發吸收因子來確定所述埠限制，所述突發吸收因子小於1。
上述系統中，所述第一埠上的所述多個虛擬機中的每個虛擬機具有所述埠限制的分別分配的百分比。
上述系統中，與虛擬機相關聯的一組佇列共用針對所述虛擬機的所確定的限制的分配的百分比。
100‧‧‧交換機
110-1~110-M‧‧‧入口埠
120-1、120-2‧‧‧封包處理單元
130‧‧‧記憶體管理器
140-1至140-N‧‧‧出口埠
200‧‧‧記憶體緩衝區交換機
210-1、210-2‧‧‧外部埠
220-1~220-N‧‧‧內部埠
230‧‧‧共用記憶體緩衝區
240‧‧‧伺服器
S302~S308‧‧‧步驟
圖1顯示了通用交換機的實例性實施方式。
圖2顯示了刀鋒交換機(blade switch)產品中的共用記憶體交換機的實例性配置。
圖3顯示了本發明的過程的流程圖。
以下詳細討論本發明的各種實施方式。儘管討論了具體實施，但應理解，這僅是為了說明的目的而進行的。相關領域技術人員將認識到在不背離本發明的精神和範圍的前提下，可使用其他元件和配置。
如上所述，現今的很多交換機已設計成具有用於進入超額認購條件(oversubscribed condition)的潛能的配置。這是由於其結合可能超過交換機的封包處理能力的高頻寬I/O埠(例如，10 GbE)的結果。
圖1顯示了交換機的實例性實施方式。如圖所示，交換機100包括多個入口埠(ingress port)110-1至110-M，其每個均可提供到其他網路裝置的連接。作為一個實例，入口埠110-1至110-M中的每一個均可提供到資料中心內的其他交換機的10 GbE連接。類似地，交換機100包括多個出口埠140-1至140-N，其每個均可提供到其他網路裝置(例如，伺服器)的連接。
如圖所示，作為交換機100的I/O部分的一部分，包括入口埠110-1至110-M和出口埠140-1至140-N。交換機100的I/O部分被顯示為邏輯上不同於交換機100的處理內核。如圖所示，交換機100的處理內核包括封包處理單元120-1、120-2和記憶體管理器130。在一種實施方式中，封包處理單元120-1、120-2對封包執行即時操作，例如成框/剖析、分類、流量監管和整形、修改、壓縮/加密、排隊等。也可透過封包處理單元120-1、120-2進行控制操作，例如轉譯(translation)、路由計算、路由表更新等。正如將理解的，交換機的處理內核的具體配置是與實現相關的。
在一種實施方式中，交換機100可被實施為共用記憶體緩衝區交換機。在一種應用中，交換機可包括在刀鋒交換機產品中，其中，交換機充當機櫃頂端(TOR)角色。在該配置中，交換機可經由提供冗餘生成樹協定(STP)的拓撲的兩個40G鏈路連接至網路。刀鋒交換機產品也可包括可經由10G鏈路連接至TOR交換機的多個伺服器。在一種配置中，共用記憶體TOR交換機共用淺記憶體緩衝區(例如，2至12 MB)。
圖2顯示了這種刀鋒交換機配置的一個實例。如圖所示，共用記憶體緩衝區交換機200經由提供冗餘STP配置的外部40G埠210-1、210-2耦接至網路。交換機200還包括能使交換機200耦接至刀鋒交換機產品中的多個伺服器的多個內部埠220-1至220-N。為簡單起見，圖2僅顯示了內部埠220-1到伺服器240的單個連接。
如前所述，交換機滿足當今網路環境的需求的一個挑戰是每個埠不斷增長的佇列數。常規地，可定義埠上的多個佇列以支援相應的多個服務流量類別。作為一個實例，單個伺服器可具有支持八個不同流量類別的八個不同佇列。
隨著網路基礎設施中逐漸增加的虛擬化使用，已發生每個埠的佇列數量的顯著上升。如圖所示，在圖2中，伺服器240可被設計為支援多個虛擬機(VM)。這些VM中的每一個均可支持其自身的一組佇列。因此，例如，若伺服器240具有10個VM，且其每個VM支援八個不同佇列，則埠220-1上的佇列總數將是10個VM×8個佇列/VM=80個總佇列。支援單個埠上的該佇列數對交換機200的流量管理能力具有越來越多的需求。交換機200無法適當管理埠220-1至220-N上的流量可能導致封包丟失的顯著實例。
對於具有淺記憶體緩衝區的商用交換機，共用記憶體緩衝區的適當分配是適當流量管理中的關鍵部分。一般地，共用記憶體交換機可使用可用於所有交換機埠的邏輯上通用的封包緩衝區。到達埠的封包儲存在由所有交換機埠共用的高速多埠記憶體中。使用試圖給每個埠所需的盡可能多的記憶體的調度進程，由記憶體管理器向來自共用記憶體緩衝區的記憶體動態分配封包。可由記憶體管理器透過對被分配至任何一個交換機埠的最大儲存量的動態調整來防止不平等。若針對出口埠來對封包進行排隊，而出口埠已達到其最大記憶體分配，則該封包將被丟棄。
在本發明中，應當認識到，儘管當每個埠的佇列數是有限的時，適應性佇列限制能很好地合理工作，但其有效性隨著每個埠的佇列數增加而減小。更具體地，隨著每個埠的佇列數增加，靜態埠限制開始對系統具有較大影響。隨後，適應性佇列限制的影響相比將減小。最終結果是支援伴隨每個埠的多個佇列的埠隔離可能導致封包被交換機丟棄。
本發明的特徵在於可提供可配置為能使每個埠隔離同時還支援每個佇列動態臨界值限制的交換機裝置。本發明的動態臨界值機制基於在共用記憶體緩衝區中可用的緩衝區空間量。如圖2的實例所示，共用記憶體緩衝區230包括已用部分和未用部分。共用記憶體緩衝區的未用部分表示可用於向出口埠上的各個佇列分配的記憶體空間。
常規地，靜態埠限制已被用於在各個埠之間提供隔離措施。如上所述，這些靜態埠限制隨著埠上的佇列數增加而在影響上變得越發占主導。因此，靜態埠限制開始減小可透過埠上的佇列實現的適應性限制的影響。
在本發明中，為埠提供適應性埠限制。這些適應性埠限制基於共用記憶體緩衝區的未用部分。在一種實施方式中，針對出口埠的埠限制(PL)由PL=BAF * R確定，其中，BAF是所定義的突發吸收因子(burst absorption factor)，以及R是共用記憶體緩衝區的未用剩餘部分。在一個實例中，BAF小於或等於1。將理解，該實例並非旨在限定。一般地，突發吸收因子可被用於確定適應性埠限制，該適應性埠限制可相對於共用記憶體緩衝區的未用剩餘部分來調整以實現不同水準的突發吸收。
本發明的特徵在於適應性埠限制(PL=BAF * R)也可被用於實現適應性佇列限制。在一種實施方式中，針對埠的適應性佇列限制基於對該具體埠的所確定的適應性埠限制來確定。更具體地，針對埠M上的佇列的佇列限制可被定義為QLi=i * PLM，其中，是可針對每個佇列而指定的變數(<1)。在一種實施方式中，也可針對一組佇列來指定分數變數。在又一實施方式中，可針對單個虛擬機來指定分數變數。在該實施方式中，可定義虛擬機限制(VML)，其中，針對虛擬機N上的佇列的佇列限制可被定義為QLi=i * VMLN，其中，是可針對每個佇列來指定的變數(<1)。此外，在本實施方式中，也可針對該具體虛擬機上的一組佇列來 指定分數變數。
如上已描述，可採用適應性突發吸收來實現埠隔離，同時也向針對埠的每個佇列的可用緩衝區提供平等訪問。以此方式，可被用於埠上增長的佇列數的適應性動態臨界值在有效性上將不會減小，因為已消除了靜態埠限制。
已描述了用於採用適應性每個佇列的動態臨界值限制來實現埠隔離的一種機制，現參照圖3，其顯示了本發明的過程的概述。如圖所示，該過程始於步驟S302，其中，突發吸收因子被分配給出口埠。由於突發吸收因子被用於確定埠限制，所以突發吸收因子根據所需的埠隔離類型遍及所有出口埠可以是靜態的或動態的。
接下來，在步驟S304中，識別交換機中共用記憶體緩衝區的未用部分。如上所述，對共用記憶體緩衝區的未用部分的這一識別對埠限制的確定提供了適應性動態機制。這與傳統靜態埠限制形成對比，已知傳統靜態埠限制在埠上的佇列數大幅增加時主導適應性佇列限制的影響。
在步驟S306中，使用所分配的突發吸收因子和共用記憶體緩衝區的未用剩餘部分來確定針對具體埠的埠限制。這裏，可使用PL=BAF * R的實例性計算來進行對適應性埠限制的確定。一旦建立了適應性埠限制，則隨後即可使用該適應性埠限制來確定針對出口埠上的佇列的適應性佇列限制。
如上所述，各種機制可被用於確定適應性佇列限制。在各種實例中，可基於單個分配的變數、組分配的變數、虛擬機特定變數等來確定適應性佇列限制。
這裏，重要的是適應性佇列限制由本身被設計為適應性動態的埠限制導出。這種導出的結果是不由靜態埠限制來限定的適應性佇列限制。
本發明的另一實施方式可提供一種機器和/或電腦可讀記憶體和/或介質，其上儲存有具有可由機器和/或電腦執行的至少一個代碼段的機器代碼和/或電腦程式，從而使機器和/或電腦執行如本文所述的步驟。
透過閱讀之前的詳細描述，本發明的這些和其他方面對於本領域技術人員而言將變得顯而易見。儘管上文已描述了本發明的一些顯著特徵，但本發明可具有其他實施方式，且以在閱讀了本公開的發明之後對本領域普通技術人員而言將是顯而易見的各種方式來實施和執行，因此，以上描述不應被視為排除了這些其他實施方式。此外，應當理解，本文所採用的措辭和術語是為了描述的目的，且不應被視為限定。
200‧‧‧記憶體緩衝區交換機
210-1、210-2‧‧‧外部埠
220-1~220-N‧‧‧內部埠
230‧‧‧共用記憶體緩衝區
240‧‧‧伺服器

Claims (9)

  1. 一種能實現動態佇列臨界值限制的交換機，包括：共用記憶體緩衝區；多個埠，所述多個埠中的第一埠耦接至具有多個虛擬機的網路裝置，其中，所述多個虛擬機中的每個虛擬機具有與多個流量類別相關聯的多個佇列；以及控制模組，其確定針對所述多個虛擬機中的每個虛擬機的限制，其中，針對所述多個虛擬機中的第一虛擬機的虛擬機限制被確定為針對所述第一埠的埠限制的一部分，透過將所述共用記憶體緩衝區的未用剩餘部分乘以分配給所述第一埠的突發吸收因子來確定針對所述第一埠的所述埠限制，所述控制模組還確定針對與所述第一虛擬機相關聯的多個佇列中的每個佇列的佇列限制，針對與所述第一虛擬機相關聯的所述多個佇列中的每個佇列的所述佇列限制表示針對所述第一虛擬機的所述虛擬機限制的一部分。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的交換機，其中，所述第一虛擬機上的所述多個佇列共用所述埠限制的分配的百分比。
  3. 根據申請專利範圍第2項所述的交換機，其中，向所述第一虛擬機上的所述多個佇列中的每個佇列分配所述虛擬機限制的所述分配的百分比的一部分。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述的交換機，其中，所述突發吸收因子小於1。
  5. 一種動態佇列臨界值限制方法，包括：將突發吸收因子分配給交換機上的埠，所述埠經由網路通訊線纜耦接至網路裝置；識別所述交換機中的共用記憶體緩衝區的未用部分的量；透過將分配給所述埠的所述突發吸收因子乘以所述共用記憶體緩衝區的所述未用部分的所識別的所述量來確定針對 所述埠的埠限制；確定針對所述網路裝置上的虛擬機的虛擬機限制，所述虛擬機限制表示所確定的所述埠限制的一部分；以及確定針對與所述網路裝置上的所述虛擬機相關聯的多個佇列中的每個佇列的佇列限制，其中，所分配的所述佇列限制中的每個佇列限制是所確定的所述虛擬機限制的一部分。
  6. 根據申請專利範圍第5項所述的方法，其中，所述分配包括分配小於1的突發吸收因子。
  7. 一種能實現動態佇列臨界值限制的系統，包括：共用記憶體緩衝區；多個埠，所述多個埠中的第一埠耦接至具有多個虛擬機的網路裝置，其中，所述多個虛擬機中的每個虛擬機具有與多個流量類別相關聯的多個佇列；以及控制模組，其確定針對所述多個虛擬機上的所述多個佇列中的每個佇列的佇列限制，其中，所述佇列限制被確定為針對所述第一埠的埠限制的一部分，透過將所述共用記憶體緩衝區的未用剩餘部分乘以分配給所述第一埠的突發吸收因子來確定所述埠限制，所述突發吸收因子小於1。
  8. 根據申請專利範圍第7項所述的系統，其中，所述第一埠上的所述多個虛擬機中的每個虛擬機具有所述埠限制的分別分配的百分比。
  9. 根據申請專利範圍第7項所述的系統，其中，與虛擬機相關聯的一組佇列共用針對所述虛擬機的所確定的限制的分配的百分比。
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