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数据中心网络负载优化策略与研究

数据中心网络负载优化策略与研究

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作者：唐虎西安工业大学

学位级别：硕士

随着数据中心的飞速发展,无论用户体验还是云服务业务都引来了全新的时代,由于传统数据中心使用TCP/IP协议栈,在数据传输时会因为数据包的层层封装和解析带来较大延时和CPU负载,这一情况在高带宽下尤其明显。因此,远程直接内存访问（RDM... 详细信息

随着数据中心的飞速发展,无论用户体验还是云服务业务都引来了全新的时代,由于传统数据中心使用TCP/IP协议栈,在数据传输时会因为数据包的层层封装和解析带来较大延时和CPU负载,这一情况在高带宽下尤其明显。因此,远程直接内存访问（RDMA）技术应运而生,该技术依靠其低时延、低CPU负载、高吞吐量的优势更加适用于如今的数据中心网络。但是RDMA技术所采用的零复制和内核旁路技术只能减少数据包在封装和解析过程中所出现的负载问题,却无法处理网络出现拥塞时出现的大量数据包超时重传而给源端带来的额外负载。因此,除了引入RDMA来解决高带宽情况下数据传输带来的高CPU负载问题,还需要从流控方案和拥塞控制算法入手进一步优化网络因为拥塞带来的负载。在此基础上,结合了RDMA技术的Ro CEv2协议栈为了尽可能地提高网络利用率。使用基于优先级的流量控制（PFC）机制来保证Ro CEv2协议栈工作在无损网络中,但是由于PFC机制工作粒度过大和检测机制单一的问题,在进行流量控制时会导致行头阻塞（HOL）和不公平性问题的出现,严重时会引发级联暂停现象,导致大量数据包超时,加剧源端负载。而工作在Ro CEv2协议栈中的DCQCN拥塞控制算法仅关注于如何保证网络吞吐量,却忽略了固定阈值所带来的交换机缓冲区内队列长度过长的问题,过长的队列长度同样会导致数据包超时,给源端带来额外开销。因此本文将围绕着引入RDMA技术后通过改进流控方案和拥塞控制算法来进一步优化负载这一重点展开,具体内容如下。针对PFC机制过于激进从而导致的HOL和级联暂停等问题,进行了深入分析,对于PFC机制粒度过大且判断机制单一的问题,本文提出了基于模糊综合评价模型的PFC机制,从多角度、多指标对网络拥塞情况综合进行评价,找到真正影响网络拥塞的流。而后对这些拥塞流采用优先级+时间片轮询算法进行调度,并借助哈希表在O（1）的时间复杂度内完成调度。相比于传统的PFC机制,改进后的方案能够有效缓解HOL和级联暂停问题,最后使用NS-3仿真实验证明该方案的有效性和合理性。针对DCQCN算法忽略队列长度所带来的大尾部时延,会在拥塞时加剧源端负载的问题。通过建立数学模型,对这一情况的根本原因进行分析,对于DCQCN使用固定阈值和实时队列长度作为检测手段的问题,本文提出了DCQCN-DMT算法,结合发送端发送速率变化构建源端速率模型,深入分析影响队列长度的根本原因,并引入性能因子对网络拥塞程度进行考量,从而对阈值进行动态调整,在保证网络吞吐量仍然处于较高水平的同时,降低缓冲区积压报文队列长度,降低尾部时延,大大缓解了拥塞情况下源端的负载问题。通过NS-3仿真实验证明,DCQCN-DMT算法相比于传统DCQCN算法,在高带宽场景下,吞吐量保持不变的同时,交换机缓冲区积压队列长度下降了20%,进一步优化了负载,有效提高了网络性能。

关键词：数据中心远程直接内存访问技术 PFC 模糊综合评价模型拥塞控制

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基于SDN的内存优化技术研究

基于SDN的内存优化技术研究

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作者：王亚铭西安工业大学

学位级别：硕士

互联网技术飞速发展,用户数量及网络流量呈爆炸式增长,远程直接内存访问技术(RDMA)依靠其低时延、低CPU占用、高吞吐量的巨大优势脱颖而出。基于RDMA的以太网协议(Ro CE)主要依靠基于优先级的流量控制(PFC)等机制来保障无损丢包。然而... 详细信息

互联网技术飞速发展,用户数量及网络流量呈爆炸式增长,远程直接内存访问技术(RDMA)依靠其低时延、低CPU占用、高吞吐量的巨大优势脱颖而出。基于RDMA的以太网协议(Ro CE)主要依靠基于优先级的流量控制(PFC)等机制来保障无损丢包。然而在实际数据中心网络运行中,这些机制将可能导致因数据传输而创建的交换机内存中接收队列之间的循环缓冲依赖性,从而引发PFC内存永久阻塞这一严重后果。同时,传统网络架构均存在灵活性低、管控能力弱等缺陷,而软件定义网络(SDN)架构具备数控分离、可编程性及集中式管控等强大功能,使网络能够灵活动态地被扩展配置,以适应新业务和新需求。因此本文将SDN架构引入RDMA承载的数据中心网络,构建交换机内存永久阻塞优化策略,通过对网络的集中化控制,来解决传统数据中心网络架构中存在的复杂、难以管控的问题。该优化策略旨在以动态感知并破除已形成循环缓冲依赖的方式规避内存永久阻塞的发生,在达到网络中交换机内存优化目的的同时,保证RDMA数据中心网络的高效平稳运行。论文围绕着此重点展开研究,主要内容包含以下方面。首先,对RDMA和SDN相关技术进行探究,通过实验和理论研究,主要从多条数据流状态、极限速率状态、ARP条目更新不同步三个方面深入分析了Ro CE网络中内存永久阻塞形成的过程及原因,总结并讨论多角度解决思路,同时详细分析了SDN架构特性、Open Flow协议以及SDN控制器,在此基础上明确本文的考量角度。其次,通过将交换机内存中排队过程具体抽象,构建改进的内存阻塞平衡模型。结合内存阻塞特性定义了低优先级队列忽视高优先级队列数据包的概率(忽视因子?),能够暂时削弱高优先级的优先权,从减小内存阻塞概率的角度出发,求解含有忽视因子?的高低优先级阻塞平衡模型。通过Matlab证明其有效性,同时NS-3仿真表明启用忽视因子时内存中低优先级接收队列的压力缓解能力能够提高约6%。最后,基于SDN新型网络架构构建了数据中心交换机内存永久阻塞优化策略,通过在SDN控制器中添加交换机内存状态监控子模块、依赖异常感知子模块、转发控制决策部署子模块及备选回退路径触发器来实现对原PFC机制的改进与补充,从破除已形成循环缓冲依赖的角度,针对不同对象给出具体优化措施,解决了原机制为数据中心网络带来内存永久阻塞的问题。通过NS-3设计仿真实验,验证了论文所构建的基于SDN的数据中心交换机内存永久阻塞优化策略可以对数据中心交换机实现有效合理的内存优化,避免PFC内存永久阻塞,保障网络平稳高效运行。

关键词：软件定义网络远程直接内存访问技术优先级流量控制缓冲队列内存永久阻塞

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