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数据中心网络差分流传输控制协议研究

西安交通大学学报 2017年第6期51卷 122-128,152页

作者：蔡岳平张文鹏罗森重庆大学通信工程学院重庆400030

针对数据中心网络多对一通信流量产生TCP Incast拥塞导致吞吐量降低,以及小流易受大流影响难以满足应用截止时间要求等问题,提出了差分流传输控制协议(DFTCP)。DFTCP采用主动队列管理机制,利用显式拥塞通知机制传递拥塞信息,通过控制交... 详细信息

针对数据中心网络多对一通信流量产生TCP Incast拥塞导致吞吐量降低,以及小流易受大流影响难以满足应用截止时间要求等问题,提出了差分流传输控制协议(DFTCP)。DFTCP采用主动队列管理机制,利用显式拥塞通知机制传递拥塞信息,通过控制交换机队列长度来减少突发流分组的丢失以解决TCP Incast问题。DFTCP在终端服务器中对TCP流进行分类,当网络发生拥塞时,基于网络状态信息和流分类信息调节TCP拥塞窗口,通过对大流进行更大程度的拥塞退避从而减小其对网络中其他TCP流传输性能的影响,进而减少小流完成传输的时间,解决小流高延迟的问题。仿真实验表明:与传统TCP相比,DFTCP能够避免因TCP Incast拥塞导致的吞吐量崩溃;与数据中心传输控制协议(DCTCP)相比,DFTCP能够减少小流传输完成的时间,同时DFTCP能够实现共享同一链路的多个大流快速收敛,保证公平性。

关键词：云计算数据中心网络 TCP Incast 拥塞控制拥塞窗口

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数据中心网络传输协议综述

计算机研究与发展 2020年第1期57卷 74-84页

作者：曾高雄胡水海张骏雪陈凯香港科技大学计算机科学与工程系

近10年来,在盛行的网络应用(如搜索、在线零售和云计算等)的需求驱动下,数据中心在全球范围内以前所未有的速度和规模发展建立起来.特别地,数据中心网络引起了学术界和工业界的广泛关注.在这样的背景下,调研了数据中心网络的一个核心方... 详细信息

近10年来,在盛行的网络应用(如搜索、在线零售和云计算等)的需求驱动下,数据中心在全球范围内以前所未有的速度和规模发展建立起来.特别地,数据中心网络引起了学术界和工业界的广泛关注.在这样的背景下,调研了数据中心网络的一个核心方面——传输层协议.虽然传输协议在因特网上已经有很长的历史,它却直到2010年才在数据中心网络环境下被系统性地探索.数据中心网络有着和因特网不一样的特点(如单一控制域和同构网络架构),这给数据中心网络上的传输协议设计同时带来了机遇和挑战.在这驱使下,一系列的传输协议被设计提出.将早期(2010—2015年)数据中心网络传输设计方面的工作分成3类——基于端主机的拥塞控制、网络仲裁机制和交换机优先级调度,对这3类工作的优缺点作深入讨论.最后,分析近年来数据中心网络传输设计的研究趋势——接收端驱动的主动拥塞控制和RDMA传输协议设计.

关键词：数据中心网络传输层协议拥塞控制显式拥塞通告远程直接内存访问

数据中心网络BCDC上的顶点独立生成树构造算法

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计算机科学 2022年第7期49卷 287-296页

作者：潘志勇程宝雷樊建席卞庆荣苏州大学计算机科学与技术学院江苏苏州215006

作为云计算技术的基础,数据中心网络的通信性能成为了近年来的研究热点。独立生成树(Independent Spanning Trees,ISTs)作为数据中心网络中常见的基础结构,因其在可靠通信、容错广播以及安全分发方面的应用受到了研究者的广泛关注,在诸... 详细信息

作为云计算技术的基础,数据中心网络的通信性能成为了近年来的研究热点。独立生成树(Independent Spanning Trees,ISTs)作为数据中心网络中常见的基础结构,因其在可靠通信、容错广播以及安全分发方面的应用受到了研究者的广泛关注,在诸多特殊的网络上都取得了显著的成果。但是,学者们对在线图中独立生成树的研究却很少。BCDC是由Wang等于2018年提出的一个新的以服务器为中心的数据中心网络,其逻辑图是交叉立方体的线图且为2n-2正则图。文中给出了BCDC上独立生成树的构造算法,首先利用一种并行算法在交叉立方体中构造出2n-2棵树,然后将这些树按照一定规则连接并通过特定的转换方法将其转变为BCDC中2n-2棵相互独立的树,最后将BCDC中的剩余顶点通过一个时间复杂度为O(N)(其中N表示BCDC的顶点数)的高效算法挂接到树上,从而构造出BCDC上的以顶点[r,N(r,2)]为根的2n-2棵独立生成树,其中顶点r为交叉立方体CQ_(n)上的任意一个顶点。

关键词：数据中心网络独立生成树 BCDC 交叉立方体线图

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数据中心网络流量调度的研究进展与趋势

计算机学报 2020年第4期43卷 600-617页

作者：李文信齐恒徐仁海周晓波李克秋大连理工大学计算机科学与技术学院大连116024 天津大学智能与计算学部天津300350

近年来,流量调度已经发展成为网络领域的热点研究问题.该问题主要决定何时以及以多大速率传输网络中的每条数据流,其对网络性能和应用性能都具有十分重要的影响.然而,在托管着许多大规模互联网应用的数据中心中,流量调度问题正面临着流... 详细信息

近年来,流量调度已经发展成为网络领域的热点研究问题.该问题主要决定何时以及以多大速率传输网络中的每条数据流,其对网络性能和应用性能都具有十分重要的影响.然而,在托管着许多大规模互联网应用的数据中心中,流量调度问题正面临着流量矩阵多变、流量种类混杂、以及流量突发等与流量模型相关的挑战.此外,随着数据中心规模的不断壮大,流量调度问题还面临着网络带宽动态化、网络拥塞随机化、以及网络目标多样化等与网络模型相关的挑战.为了进一步提升对数据中心流量调度的关注和理解,推动流调度技术在实际应用中的不断发展,本文分别从调度目标、调度方式和调度对象这三个维度对数据中心网络流调度的相关研究工作进行了分析和对比,并概括出如下结论:现有研究主要以分布式、集中式或混合式的调度方式对数据中心内、数据中心间或数据中心与用户间的流进行高效地调度,从而达到带宽保障、时限保障、最小化流完成时间、最小化Coflow完成时间、公平性保证、最小化流传输成本等目标.本文最后还指出了四个数据中心流调度的未来发展方向,并相应提出尚未解决的研究问题.

关键词：数据中心网络流调度 Coflow调度完成时间优先级队列带宽保障时限保障

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数据中心网络负载均衡问题研究

软件学报 2020年第7期31卷 2221-2244页

作者：沈耿彪李清江勇汪漪徐明伟清华大学深圳国际研究生院广东深圳518055 南方科技大学未来网络研究院广东深圳518055 鹏城实验室网络通信研究中心广东深圳518055 清华大学计算机科学与技术系北京100084

数据中心网络是现代网络和云计算的重要基础设施,实现数据中心网络负载均衡是保证网络吞吐并提高服务体验的关键环节.首先分析了数据中心网络与传统互联网之间的区别,总结其特点及特殊性在负载均衡方案设计方面的优势.然后从数据中心的... 详细信息

数据中心网络是现代网络和云计算的重要基础设施,实现数据中心网络负载均衡是保证网络吞吐并提高服务体验的关键环节.首先分析了数据中心网络与传统互联网之间的区别,总结其特点及特殊性在负载均衡方案设计方面的优势.然后从数据中心的复杂性和多样性角度分析其负载均衡方案设计所面临的挑战.将现有数据中心网络负载均衡方案根据不同的实现层次从网络层、传输层、应用层和综合方案4个角度进行分析,对比各个方案的优缺点,并从控制结构、负载均衡粒度、拥塞感知机制、负载均衡策略、可扩展性和部署难度几个方面进行综合评价.最后对现有数据中心网络负载均衡方案进行总结,并指出未来可能的研究方向.

关键词：数据中心网络负载均衡云计算流量调度传输管理

数据中心网络中一种基于ECN的TCP慢启动拥塞控制策略

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电子科技大学学报 2018年第2期47卷 169-177页

作者：黄家玮徐文茜胡晋彬王建新叶进中南大学信息科学与工程学院长沙410083 广西大学计算机与电子信息学院南宁530004

在数据中心网络中,高带宽、低时延的链路和多对一的网络结构造成了TCP Incast吞吐率崩溃问题。现有的改进方法都关注于在TCP拥塞避免阶段改进其拥塞控制算法,而忽视了慢启动阶段中激进的指数增窗方式是造成Incast问题的关键原因。因此,... 详细信息

在数据中心网络中,高带宽、低时延的链路和多对一的网络结构造成了TCP Incast吞吐率崩溃问题。现有的改进方法都关注于在TCP拥塞避免阶段改进其拥塞控制算法,而忽视了慢启动阶段中激进的指数增窗方式是造成Incast问题的关键原因。因此,该文提出了一种基于ECN的TCP慢启动拥塞控制策略(gentle slow sTart,GST),利用已有的拥塞标志位动态反馈缓存拥塞状况,以调节慢启动阶段的增窗速率。实验结果表明,该方法帮助现有的数据中心TCP协议有效地避免了并发传输中的吞吐率崩溃现象,将并发度和吞吐率分别提升了3.4倍和85倍。

关键词：数据中心网络显式拥塞反馈慢启动传输控制协议

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数据中心网络的拥塞控制策略研究

数据中心网络的拥塞控制策略研究

作者：张一鸣西安工业大学

学位级别：硕士

数据通信需求的推动下,数据中心间网络变得越来越重要,拥塞控制也成为网络中重要的问题,为了数据传输过程保持稳定,研究学者对拥塞控制做了一系列研究。传统TCP拥塞控制代表性的是基于丢包和基于延时的拥塞控制,随着网卡和内存芯片的发... 详细信息

数据通信需求的推动下,数据中心间网络变得越来越重要,拥塞控制也成为网络中重要的问题,为了数据传输过程保持稳定,研究学者对拥塞控制做了一系列研究。传统TCP拥塞控制代表性的是基于丢包和基于延时的拥塞控制,随着网卡和内存芯片的发展,许多应用程序都有高吞吐量和延迟限制,已经不能简单地以丢包、时延作为拥塞信号。因此在利用容量效率和保持低延迟之间找到正确的平衡是拥塞控制中的一个重要的问题。2016年谷歌提出了一种基于速率的拥塞控制算法——BBR拥塞控制算法,被誉为开创了拥塞控制算法新纪元。通过测量可用的瓶颈带宽和最小往返时间估计网络瓶颈链路的带宽时延积(BDP)来创建网络路径模型,旨在保持低缓冲区利用率,同时最大化吞吐量。由BBR在实际网络中的实施情况得出,BBR在吞吐量方面比TCP中传统的拥塞控制算法具有更好优势,可以显著提高带宽的利用率。随着对BBR算法的研究,发现在网络波动的情况下BBR在带宽探测阶段使用在探测过程中选取最大样本值,在网络波动中往往最大样本高于实际带宽导致高估,随之产生链路过载,高排队延迟等问题。根据BBR带宽易高估问题,本文提出一种新的过滤器。另外针对于BBR无法及时区分分组丢失是由于网络拥塞还是随机丢包造成信道利用率低的行为,提出了基于RTT的拥塞信号识别机制。(1)由于BBR使用简单的最大过滤器(MAX过滤器),在探测过程导致高估。首先,通过数学分析及仿真实验对BBR拥塞控制算法异步探测机制发送速率与瓶颈带宽不相配的情况分析和验证。其次,针对于这种行为,本文将网络波动造成的带宽突变看作阶跃性事件,利用Tobit卡尔曼滤波修正估计过程的饱和数据的特点和自适应卡尔曼滤波跟踪信道容量的变化、处理估计中的未知噪声的特点,将两者相结合,替换MAX过滤器的BBR-ATKF算法,将容量建模为高斯—马尔可夫过程。同时提出将网络波动造成的带宽突变看作阶跃性事件,实时动态调整滤波器的均值及时响应网络的突变甚至网络中断。从而使得到的信道容量估计值更接近于实际值,改善BBR高估引起的RTT的巨大潜在波动问题。(2)在拥塞信号识别方面,BBR无法及时区分分组丢失是由于网络拥塞还是随机丢包,不能针对性检测拥塞,导致网络链路利用率低,瓶颈缓冲区中的有数据包丢失、重传和排队延迟。本文基于拥塞窗口的动态特性构建了一个拥塞队列模型,推导该模型的边界,得出未触发拥塞下的最大RTT边界值作为拥塞信号,更快地有针对性地对拥塞作出反应,充分利用信道资源的同时减小缓冲区排队延迟。最后,通过仿真软件进行测试分析,得出所提算法与标准BBR相比减少大约一半的重传,丢包率从32%降低到3.3%,平均RTT减少了40%,具有更好的传输性能。

关键词：拥塞控制数据中心网络 BBR 带宽探测排队延迟

数据中心网络中面向时间优化的高效Coflow调度

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数据中心网络中面向时间优化的高效Coflow调度

作者：曹港华海南大学

学位级别：硕士

近年来,网络成为限制数据中心发展的瓶颈。减少数据传输时间和截止期限保证是数据传输过程中两个重要的性能目标。现有先验知识未知调度方案决策时未充分利用流量特征,在Coflow平均完成时间方面还存在优化空间。因此,本文基于流量特征... 详细信息

近年来,网络成为限制数据中心发展的瓶颈。减少数据传输时间和截止期限保证是数据传输过程中两个重要的性能目标。现有先验知识未知调度方案决策时未充分利用流量特征,在Coflow平均完成时间方面还存在优化空间。因此,本文基于流量特征设计了一种多阈值先验知识未知Coflow调度方案以进一步减少Coflow平均完成时间。此外,现有的研究或者专注于减少Coflow平均完成时间,或者专注于截止时间保障,但实际网络环境中,单纯地关注一个性能目标会损害另一个性能目标。基于此,本文研究数据中心网络中多性能目标的流量调度,致力于在最小化对Coflow平均完成时间影响的基础上,最大化满足截止期限的Coflow数量。综上所述,本文主要研究以下两方面的内容:本文第一项工作,为了进一步减少先验知识未知调度方案中的Coflow平均完成时间,本文利用数据中心网络中的流量特征设计了一种多阈值分类调度算法A-SNCF。Coflow到达时,A-SNCF根据宽度为Coflow分配不同的初始优先级,避免了小Coflow对大Coflow的阻碍。传输过程中,A-SNCF将Coflow分为宽和窄两类,并对两种类型的Coflow采取不同的优先级调整方式。模拟实验表明,相较于MCS、Aalo等经典先验知识未知调度方案,A-SNCF可显著降低Coflow平均完成时间,具有良好的性能表现。本文第二项工作是针对数据中心网络中的流量,以最小化对Coflow平均完成时间的影响,最大化满足截止期限的Coflow数量为目标,设计调度算法S-DLCF。由于数据中心网络中的流量大小及截止时间存在差异,且传输完成前Coflow大小及其子流信息未知,因此本文在利用流量特性预测Coflow大小分配优先级的基础上,利用截止时间优化流量传输,具体为:根据流量特征为Coflow分配初始优先级,对不同类型的流量采用不同的优先级调整方式,并根据截止时间对同一优先级队列中的Coflow排序。模拟实验表明,相比于Aalo和FIFO等调度算法,S-DLCF中在截止时间内完成的Coflow占比更高,且对Coflow平均完成时间的影响极小。S-DLCF在截止时间保障与最小化coflow平均完成时间方面具有良好的性能表现。总体而言,先验知识未知场景下,本文首先研究以最小化Coflow平均完成时间为目标的调度,设计并提出了调度算法A-SNCF。然后在此基础上,本文对Coflow截止时间加以利用,设计并提出了调度算法S-DLCF,在保障Coflow平均完成时间的基础上,提高在截止期限内完成Coflow所占的比例。模拟实验表明,A-SNCF与S-DLCF都具有良好的性能表现。

关键词：数据中心网络 Coflow调度平均完成时间截止时间保障

数据中心网络下基于SDN的TCP拥塞控制机制研究与实现

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计算机学报 2017年第9期40卷 2167-2180页

作者：陆一飞朱书宏南京理工大学计算机科学与工程学院南京210094 东南大学计算机网络和信息集成教育部重点实验室南京210096

当前的数据中心中大量存在多个发送端向一个接收端同时发送数据的通信模式,但是,这种多对一的通信模式会造成TCP incast问题.当数据中心网络发生TCP incast时,网络整体吞吐量将急剧下降甚至崩溃.软件定义网络(SDN)下的集中控制方法和网... 详细信息

当前的数据中心中大量存在多个发送端向一个接收端同时发送数据的通信模式,但是,这种多对一的通信模式会造成TCP incast问题.当数据中心网络发生TCP incast时,网络整体吞吐量将急剧下降甚至崩溃.软件定义网络(SDN)下的集中控制方法和网络全局视角是解决这一问题的有效途径.文中提出一种基于SDN的TCP拥塞控制机制,称为TCCS.当OpenFlow交换机检测到网络拥塞,将产生拥塞消息并发送至控制器,控制器将通过调整背景数据流ACK报文的接收窗口来限制相应数据流的发送速率.利用SDN的全局视角,TCCS可以精确地降低背景数据流的速率来保证突发数据流的性能.TCCS机制聚焦于网络侧解决TCP incast问题,因此对端系统是透明的.最后的实验表明,TCCS机制能够容纳更多的突发数据流,而且能够保证突发数据流的吞吐量.

关键词：数据中心网络 SDN TCP 拥塞控制接收窗口