本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，尤其涉及基于網(wǎng)絡(luò)遙測(cè)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)多路徑擁塞控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)帶寬已經(jīng)增長(zhǎng)到了100gbps，并且這一速度仍在繼續(xù)增長(zhǎng)。傳統(tǒng)的tcp/ip網(wǎng)絡(luò)難以滿足新的需求。一方面，高速度的數(shù)據(jù)傳輸會(huì)造成極大的cpu開銷，另一方面，其無法滿足對(duì)延遲敏感的服務(wù)需求。遠(yuǎn)程直接內(nèi)存訪問（rdma）通過內(nèi)核繞過和零拷貝技術(shù)降低了cpu占用率和傳輸延遲。rdma已廣泛部署在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中。在rdma網(wǎng)絡(luò)中，擁塞會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)包排隊(duì)而增大傳輸延遲、觸發(fā)pfc風(fēng)暴和死鎖、導(dǎo)致大量不必要的重傳甚至超時(shí)。以此，必須為數(shù)據(jù)中心設(shè)置高效的擁塞控制策略。

2、目前的大多數(shù)擁塞控制算法針對(duì)單路徑進(jìn)行設(shè)計(jì)。擁塞控制算法可以分為4種：基于顯式擁塞通知（explicit?congestion?notification，ecn）的擁塞控制、基于往返時(shí)間（round?trip?time，rtt）的擁塞控制、基于帶內(nèi)網(wǎng)絡(luò)遙測(cè)（in-net?telemetry，int）信息的擁塞控制、基于接收方的擁塞控制。其中ecn指顯式擁塞通知，rtt指數(shù)據(jù)包從發(fā)送方傳輸?shù)浇邮辗剑俜祷匕l(fā)送方所需的總時(shí)間，int是指網(wǎng)絡(luò)遙測(cè)技術(shù)，其核心思想是利用數(shù)據(jù)包本身作為載體，在傳輸過程中實(shí)時(shí)收集路徑上的網(wǎng)絡(luò)性能與狀態(tài)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)行為的細(xì)粒度、實(shí)時(shí)化監(jiān)控。

3、在基于ecn的擁塞控制方法中，當(dāng)交換機(jī)的隊(duì)列長(zhǎng)度超過ecn閾值時(shí)，交換機(jī)會(huì)將數(shù)據(jù)包ip頭部的ecn域進(jìn)行標(biāo)記。接收方將ecn信息附加在ack數(shù)據(jù)包中返回給發(fā)送方，發(fā)送方依據(jù)ecn信息調(diào)整發(fā)送速率。在基于rtt的擁塞控制算法中，通過網(wǎng)卡準(zhǔn)確記錄數(shù)據(jù)包的發(fā)送時(shí)間和收到ack回復(fù)的時(shí)間，以此來感知數(shù)據(jù)包在交換機(jī)中排隊(duì)時(shí)間的變化?；趓tt的擁塞控制算法通過rtt感知路徑的擁塞情況，并依此來調(diào)整速率。基于接收方的擁塞控制，也稱主動(dòng)擁塞控制，它的典型做法是接收方根據(jù)其接收能力來調(diào)度發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)包。

4、在基于int的擁塞控制中，數(shù)據(jù)包經(jīng)過交換機(jī)時(shí)，交換機(jī)利用其專用集成電路的int特性在數(shù)據(jù)包上插入一些元數(shù)據(jù)，包括時(shí)間戳、隊(duì)列長(zhǎng)度、總傳輸字節(jié)數(shù)、鏈路帶寬等信息。接收方將元數(shù)據(jù)復(fù)制到ack數(shù)據(jù)包中返回給發(fā)送方，發(fā)送方依據(jù)細(xì)粒度的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載信息調(diào)整發(fā)送速率。這種方法能夠在發(fā)生擁塞或者鏈路空閑時(shí)，使得網(wǎng)絡(luò)負(fù)載迅速收斂。但是已有的基于int的擁塞控制算法針對(duì)單路徑傳輸進(jìn)行設(shè)計(jì)，未考慮到如何充分利用數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間的多條等價(jià)路徑，使得擁塞控制算法對(duì)局部擁塞敏感，帶寬利用率無法進(jìn)一步提高。

5、針對(duì)多路徑設(shè)計(jì)的擁塞控制算法較少。已有的多路徑擁塞控制算法利用ecn和rtt來感知多條路徑的擁塞情況，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)送速率的調(diào)整。具體來說，在多路徑擁塞控制算法中，每條流的發(fā)送方有很多熵值（entropy）可以使用。熵值被攜帶在數(shù)據(jù)包中，交換機(jī)在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)會(huì)通過數(shù)據(jù)包中的流編號(hào)、熵值等進(jìn)行哈希，根據(jù)哈希結(jié)果從所有可用端口中選擇一個(gè)端口轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。因此，對(duì)于一條流來說，某個(gè)熵值能唯一確定一條路徑。接收方在收到數(shù)據(jù)包后，將熵值和ecn信息復(fù)制到ack包中返回給發(fā)送方。發(fā)送方便可以知道與這個(gè)熵值對(duì)應(yīng)的路徑的狀態(tài)信息。發(fā)送方將多條路徑的ecn信息存儲(chǔ)在一個(gè)bitmap數(shù)組中，被ecn標(biāo)記的熵值對(duì)應(yīng)的位設(shè)置為1，沒有被ecn標(biāo)記的熵值對(duì)應(yīng)的位設(shè)置為0。發(fā)送方優(yōu)先使用未被標(biāo)記ecn的熵值，而被標(biāo)記的ecn的熵值則在一段時(shí)間后才能再次使用。綜上所述，已有的多路徑擁塞控制算法通過ecn和rtt感知多條路徑的擁塞狀態(tài)，發(fā)送方據(jù)此調(diào)節(jié)發(fā)送速率并在端側(cè)做出負(fù)載均衡策略。然而，基于ecn和rtt的擁塞控制算法對(duì)擁塞的感知較慢，存在不可避免的數(shù)據(jù)包排隊(duì)。另一方面ecn和rtt不能提供詳細(xì)的路徑狀態(tài)信息，使得發(fā)送方的負(fù)載均衡策略無法對(duì)多條路徑的探索和利用做出精準(zhǔn)的決策。

6、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)通常采用clos拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用多條并行鏈路來擴(kuò)展容量，針對(duì)多路徑設(shè)計(jì)的擁塞控制算法能夠更充分地利用網(wǎng)絡(luò)帶寬資源。已有的基于ecn和rtt的多路徑擁塞控制算法無法準(zhǔn)確評(píng)估多路徑集合的使用狀態(tài)，從而無法及時(shí)調(diào)整發(fā)送速率并且不能在多路徑間合理分配數(shù)據(jù)，其中clos拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種用于構(gòu)建高性能網(wǎng)絡(luò)的核心架構(gòu)，由charles?clos于1950年代提出，主要用于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。其核心特點(diǎn)包括分層設(shè)計(jì)、全互聯(lián)結(jié)構(gòu)、無阻塞特性和可擴(kuò)展性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、基于背景技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提出了基于網(wǎng)絡(luò)遙測(cè)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)多路徑擁塞控制方法及系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了擁塞控制以及多路徑間負(fù)載均衡。

2、本發(fā)明提出的基于網(wǎng)絡(luò)遙測(cè)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)多路徑擁塞控制方法，包括：

3、接收攜帶int信息的ack包，ack包攜帶了第個(gè)熵值對(duì)應(yīng)路徑上多個(gè)交換機(jī)出端口的利用率信息，取最擁塞的一段鏈路的出端口利用率作為對(duì)應(yīng)路徑的狀態(tài)信息，利用ack包中的流編號(hào)和熵值來更新map數(shù)組中對(duì)應(yīng)位置的細(xì)粒度狀態(tài)信息；

4、以提高多路徑集合的平均利用率以及對(duì)即將到來的擁塞提前響應(yīng)為平衡目標(biāo)，基于更新后map數(shù)組動(dòng)態(tài)調(diào)整擁塞窗口；

5、以使得數(shù)據(jù)包在多條路徑上完成傳輸所耗費(fèi)的時(shí)間最短為優(yōu)化目標(biāo)，將擁塞窗口中的數(shù)據(jù)分配到多條路徑上，以實(shí)現(xiàn)多路徑間合理分配數(shù)據(jù)。

6、進(jìn)一步地，所述int信息包括跳數(shù)、流編號(hào)、熵值；

7、所述跳數(shù)表示數(shù)據(jù)包一共經(jīng)歷了的交換機(jī)個(gè)數(shù)；

8、所述流編號(hào)表示數(shù)據(jù)包所屬流的編號(hào)；

9、所述熵值用于確定數(shù)據(jù)包要走的路徑；

10、交換機(jī)在選擇數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)端口時(shí)，根據(jù)流編號(hào)、熵值、交換機(jī)自身信息進(jìn)行哈希；

11、數(shù)據(jù)包經(jīng)過交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)為d，在數(shù)據(jù)包頭部的int信息中存在出端口利用率信息的個(gè)數(shù)為q，設(shè)定d=q。

12、進(jìn)一步地，在接收攜帶int信息的ack包，ack包攜帶了第個(gè)熵值對(duì)應(yīng)路徑上多個(gè)交換機(jī)出端口的利用率信息，取最擁塞的一段鏈路的出端口利用率作為對(duì)應(yīng)路徑的狀態(tài)信息中，具體包括：

13、每一條流的發(fā)送方維護(hù)一個(gè)map數(shù)組，用于記錄多個(gè)熵值對(duì)應(yīng)的多條路徑的狀態(tài)信息，所述熵值的個(gè)數(shù)是預(yù)先設(shè)定的，且大于網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間實(shí)際存在的路徑的數(shù)量；

14、在流剛開始發(fā)送時(shí)，發(fā)送方將初始擁塞窗口中的數(shù)據(jù)均勻地噴灑在所有熵值上，接收方收到帶有int信息的數(shù)據(jù)包時(shí)，將int信息復(fù)制到ack數(shù)據(jù)包中返回給發(fā)送方；

15、流的發(fā)送方在收到帶有int信息的ack包后，取最擁塞的一段鏈路的出端口利用率作為對(duì)應(yīng)路徑的狀態(tài)信息。

16、進(jìn)一步地，在以提高多路徑集合的平均利用率以及對(duì)即將到來的擁塞提前響應(yīng)為平衡目標(biāo)，基于更新后map數(shù)組動(dòng)態(tài)調(diào)整擁塞窗口中，動(dòng)態(tài)調(diào)整擁塞窗口具體為：

17、為可用熵值數(shù)量設(shè)置上限閾值和下限閾值，為可用熵值對(duì)應(yīng)路徑的平均利用率設(shè)置上限利用率閾值和下限利用率閾值；

18、若 ，則擁塞窗口不變；

19、若，則擁塞窗口以減法減少；

20、若，則擁塞窗口乘法減?。?/p>

21、若，則擁塞窗口加法增大；

22、若，則擁塞窗口加法增大；

23、若，則擁塞窗口不變；

24、若，則擁塞窗口乘法增加；

25、若，則擁塞窗口加法增大；

26、若，則擁塞窗口不變。

27、進(jìn)一步地，在以使得數(shù)據(jù)包在多條路徑上完成傳輸所耗費(fèi)的時(shí)間最短為優(yōu)化目標(biāo)，將擁塞窗口中的數(shù)據(jù)分配到多條路徑上，以實(shí)現(xiàn)多路徑間合理分配數(shù)據(jù)中，具體為：

28、優(yōu)化目標(biāo)：

29、；

30、約束條件：

31、；

32、；

33、其中，為第個(gè)熵值對(duì)應(yīng)路徑傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包個(gè)數(shù)，為第個(gè)熵值對(duì)應(yīng)路徑傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包個(gè)數(shù)，為第個(gè)熵值對(duì)應(yīng)路徑完成傳輸個(gè)數(shù)據(jù)包要花費(fèi)的時(shí)間，為第個(gè)熵值對(duì)應(yīng)路徑完成傳輸個(gè)數(shù)據(jù)包要花費(fèi)的時(shí)間，為條流從發(fā)送方到接收方可用熵值的數(shù)量，為數(shù)據(jù)包在一條路徑上的非擁塞鏈路上的傳輸時(shí)間，為第個(gè)熵值對(duì)應(yīng)路徑的最擁塞一段鏈路的出口端利用率，為數(shù)據(jù)包大小，為鏈路帶寬，為擁塞控制窗口中待傳輸數(shù)據(jù)包的數(shù)量。

34、進(jìn)一步地，將擁塞窗口中的數(shù)據(jù)分配到多條路徑，具體為：

35、基于優(yōu)化目標(biāo)和約束條件計(jì)算得到數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)，利用數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)計(jì)算得到第個(gè)熵值對(duì)應(yīng)路徑對(duì)應(yīng)熵值的使用概率；

36、流的發(fā)送方以使用概率來使用對(duì)應(yīng)的熵值，便能近似地做到在將擁塞窗口中的數(shù)據(jù)分配到多條路徑上時(shí)使得總傳輸時(shí)間最?。?/p>

37、所述使用概率的計(jì)算公式如下：

38、；

39、其中，表示第個(gè)熵值對(duì)應(yīng)路徑傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包個(gè)數(shù)。

40、進(jìn)一步地，利用最擁塞的一段鏈路的出端口利用率作為對(duì)應(yīng)路徑的狀態(tài)信息判斷所述熵值對(duì)應(yīng)路徑是否繼續(xù)使用，具體為：

41、當(dāng)狀態(tài)信息大于擁塞閾值時(shí)，表示所述熵值對(duì)應(yīng)的路徑因擁塞而被暫停使用；

42、當(dāng)狀態(tài)信息小于等于擁塞閾值時(shí)，表明所述熵值對(duì)應(yīng)的路徑繼續(xù)使用。

43、進(jìn)一步地，在當(dāng)狀態(tài)信息大于擁塞閾值時(shí)，表示所述熵值對(duì)應(yīng)的路徑因擁塞而被暫停使用中，具體為：

44、熵值的暫停使用時(shí)間與最擁塞一段鏈路的出端口利用率呈正相關(guān)；

45、，其中；

46、其中，為最小暫停使用時(shí)間，表示熵值發(fā)生連續(xù)擁塞的次數(shù)，為擁塞敏感度調(diào)節(jié)系數(shù)，為擁塞累積效應(yīng)的動(dòng)態(tài)因子，為動(dòng)態(tài)因子的最大允許值。

47、進(jìn)一步地，在熵值暫停對(duì)應(yīng)路徑的暫停使用結(jié)束后，直接在該路徑上噴灑數(shù)據(jù)包；

48、在接收到該熵值對(duì)應(yīng)的int信息后，更新map數(shù)組，若int信息顯示路徑的擁塞已經(jīng)解除則重新計(jì)算該熵值被使用的概率；

49、若收到的int信息顯示路徑的擁塞尚未解除，此時(shí)增加次數(shù)的值，從而該熵值會(huì)得到一個(gè)新的暫停使用時(shí)間，從而應(yīng)對(duì)持續(xù)擁塞。

50、基于網(wǎng)絡(luò)遙測(cè)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)多路徑擁塞控制系統(tǒng)，包括路徑狀態(tài)信息的獲取及更新模塊、熵值使用模塊、窗口動(dòng)態(tài)調(diào)整模塊和路徑間數(shù)據(jù)分配模塊；

51、所述路徑狀態(tài)信息的獲取及更新模塊用于接收攜帶int信息的ack包，ack包攜帶了第個(gè)熵值對(duì)應(yīng)路徑上多個(gè)交換機(jī)出端口的利用率信息，取最擁塞的一段鏈路的出端口利用率作為對(duì)應(yīng)路徑的狀態(tài)信息，利用ack包中的流編號(hào)和熵值來更新map數(shù)組中對(duì)應(yīng)位置的信息；

52、所述窗口動(dòng)態(tài)調(diào)整模塊用于以提高多路徑集合的平均利用率以及對(duì)即將到來的擁塞提前響應(yīng)為平衡目標(biāo)，動(dòng)態(tài)調(diào)整擁塞窗口；

53、所述路徑間數(shù)據(jù)分配模塊用于以使得數(shù)據(jù)包在多條路徑上完成傳輸所耗費(fèi)的時(shí)間最短為優(yōu)化目標(biāo)，將擁塞窗口中的數(shù)據(jù)分配到多條路徑上，以實(shí)現(xiàn)多路徑間數(shù)據(jù)合理分配。

54、本發(fā)明提供的基于網(wǎng)絡(luò)遙測(cè)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)多路徑擁塞控制方法及系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：利用交換機(jī)直接計(jì)算出的出端口利用率來搜集多路徑集合的詳細(xì)使用狀態(tài)信息，為多路徑擁塞控制和負(fù)載均衡算法提供了更詳細(xì)的決策信息；基于端側(cè)存儲(chǔ)的可用熵值的數(shù)量以及可用熵值對(duì)應(yīng)路徑的平均出端口利用率來調(diào)節(jié)擁塞窗口，可以更早、更準(zhǔn)確地處理網(wǎng)絡(luò)中的擁塞；利用詳細(xì)的多路徑狀態(tài)信息設(shè)計(jì)了更精細(xì)的端側(cè)負(fù)載均衡措施，充分利用了不同路徑剩余的不同帶寬資源，并且使得數(shù)據(jù)在多路徑集合上傳輸時(shí)能獲得更小的完成時(shí)間；對(duì)已擁塞的熵值設(shè)計(jì)了更精細(xì)的暫停使用時(shí)間，可以有效地應(yīng)對(duì)多路徑集合中的不同程度的擁塞情況。