一种用于数据中心的可选择性显式拥塞通知标记方法技术

本发明专利技术公开了一种用于数据中心的可选择性显式拥塞通知标记方法(简称SECN)，SECN实现分为两个部分：1.发送端将估计的流速率写入数据包的头部；2.交换机通过读取数据包头部的速率值来判断流的速率等状态，交换机标记发送速率高的流。本发明专利技术即SECN是第一个区分流状态的ECN标记方法，并且是低负载的。本发明专利技术可明显提高链路吞吐量，降低流完成时间，并提高多瓶颈流的吞吐量。

An alternative and explicit congestion notification marking method for data centers

The invention discloses an optional explicit congestion notification marking method (SECN) for data center. The SECN implementation is divided into two parts: the 1. sending end writes the estimated velocity rate into the header of the data packet; the 2. switch determines the rate of the stream by reading the rate value of the data Baotou department, and the switch marks the sending speed. A high rate of flow. The invention is SECN, which is the first ECN marking method for regional shunting state, and is low load. The invention can significantly improve link throughput, reduce flow completion time, and increase throughput of multiple bottleneck flows.

【技术实现步骤摘要】
一种用于数据中心的可选择性显式拥塞通知标记方法
本专利技术属于数据中心
，更为具体地讲，涉及一种用于数据中心的可选择性显式拥塞通知标记方法。
技术介绍
当今数据中心中，计算机集群支撑许多网络应用，如网页搜索、社交网络、推荐系统等。用户对这些网络应用的响应速度非常敏感，需要计算机集群在规定的时间内完成用户的应用请求。在数据中心中，这些应用往往会被分解为许多小任务，这些小任务分布于计算机集群中不同的服务器上，并行执行。服务器之间进行频繁的数据交互，相互配合，才能完成这些网络应用，这样计算机集群的网络数据传输性能对应用的响应速度影响巨大。为了提高网络应用的响应速度，数据中心网络必须同时提供低延迟、高吞吐的数据传输性能。计算机集群在数据交互的过程中，往往使用TCP协议传输数据，这些数据传输往往具有并发性，造成数据中心的网络拥塞，导致网络传输性能下降，影响网络应用的响应速度。为了解决这个问题，数据中心往往采用ECN(ExplicitCongestionNotification，即显式拥塞通知)信号，显式通知发送端降低其发送速率，以缓解网络拥塞状态。流(flow)是指一段时间内具有相同五元组<源IP地址，源端口，目的IP地址，目的端口和传输层协议>的一系列数据包，发送端以流为对象，控制流的数据发送速率，缓解网络拥塞。在数据中心中，采用ECN作为拥塞信号的拥塞控制方法有很多，其原理是：数据中心中交换机的某一个端口的瞬时队列长度超过预设的阈值，交换机就会对到达该端口的数据包进行ECN标记，接收端接收到ECN标记的包，就会通过ACK应答包，将拥塞信息反馈给发送端，发送端接收到拥塞信号后，降低被标记的数据包所在的流的发送速率，缓解网络的拥塞。由于数据中心中，数据流具有很强的并发性，往往将ECN标记的阈值设得很低，一方面可以减小数据包排队延迟，另一方面可以容纳更多的并发流的数据包，从而降低网络延迟、减少丢包率，达到提高网络传输性能的目的。但是，这种方式存在两个方面的不足：第一，过低的阈值往往会触发很多的ECN拥塞信号，导致发送端过度反应，造成网络吞吐量的损失，反而降低了网络数据的传输性能；第二，这种基于瞬时队列长度的ECN标记方法，是流状态不可知的ECN标记方法，该方法不管该数据包所在的流的状态如何，只要超过阈值的数据包都会被打上ECN标记，这样就会导致低速的数据流虽然不是造成拥塞的主要原因，却会被打上ECN标记，被发送端降低发送速率，这对于低速流是很不公平的，会导致低速流的完成时间大大增加。更糟糕的是，数据中心中的大部分流是随机到达的短流，这些数据流的持续时间很短，并且发送速率很低，一旦这些流被标记上ECN拥塞信号，其发送速率会被迫降低，导致这些流的完成时间大大增加，从而增加了网络应用的响应时间。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提出一种用于数据中心的可选择性显式拥塞通知标记方法，只对速率较高的流进行ECN标记，这样通过提高低速流和短流的完成时间，减少网络应用的响应时间。为实现上述专利技术目的，本专利技术用于数据中心的可选择性显式拥塞通知标记方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、在发送端，将当前TCP拥塞窗口值作为发送速率的估计值填入TCP报文头部的TCP选项字段；(2)、在交换机端，交换机的每个端口只要接收到数据包，就将TCP报文头部的选项字段读取出来，存入变量speed中，并更新变量aveSpeed＝α×speed+(1-α)×aveSpeed，其中，变量aveSpeed是speed的一阶滑动指数平均值，等效于该端口所有流的平均速率，＝为赋值符号，＝前的变量aveSpeed为该端口更新后变量，＝后的变量aveSpeed为该端口更新前变量，α为权值，根据具体实施情况决定；设置高、低两个阈值：Kmax和Kmin，当交换机某个端口的队列长度超过Kmax，说明网络拥塞严重，则对到达该端口的所有包进行ECN标记，以便快速缓解拥塞；当交换机某个端口的队列长度低于Kmin，说明网络没有拥塞，不对到达该端口的数据包做任何处理；当交换机某个端口的队列长度介于Kmin和Kmax之间，则比较该端口的speed与aveSpeed的值，若speed的值大于aveSpeed的值，就标记该数据包，否则不标记该数据包。本专利技术的目的是这样实现的。交换机对数据包做ECN标记时，应当区分流的状态，但是高速的数据中心网络中，交换机维持流的状态需要非常大的开销，这样是不现实的，为此本专利技术提出低负载、用于可选择性显式拥塞通知标记方法(简称SECN)，SECN是第一个区分流状态的ECN标记方法，并且是低负载的。SECN实现分为两个部分：1.发送端将估计的流速率写入数据包的头部；2.交换机通过读取数据包头部的速率值来判断流的速率等状态，交换机标记发送速率高的流。本专利技术可明显提高链路吞吐量，降低流完成时间，并提高多瓶颈流的吞吐量。附图说明图1是TCP报文头部数据格式图；图2是TCP选项字段内容格式图；图3是本专利技术中交换机端可选择性ECN标记方法一种具体实施例方式流程图；图4是交换机阈值设置示意图；图5是吞吐量仿真场景示意图；图6是拥塞链路吞吐量仿真曲线图；图7是大规模仿真实验拓扑图；图8是大规模仿真下不同规模的流的完成时间对比图，其中，(a)为规模在(0,10KB]，(b)为规模在(10KB,100KB]，(c)为规模在(100KB,10MB]，(d)为规模在(10MB,∞]；图9是多瓶颈拓扑图；图10是多瓶颈链路仿真结果。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本专利技术。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本专利技术的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。为了解决现有技术中网络数据的传输性能反而降低、增加低速流网络应用的响应时间问题，本专利技术提出可选择性显式拥塞通知标记方法，该方法只对速率较高的流进行ECN标记，这样通过提高低速流和短流的完成时间，减少网络应用的响应时间。一、方案本专利技术用于数据中心的可选择性显式拥塞通知标记方法包括两部分的工作，即：1、在发送端，将当前TCP拥塞窗口值作为发送速率的估计值填入如图1所示的TCP报文头部的TCP选项字段。由于数据中心中网络延迟非常微小、稳定，TCP拥塞窗口值能够反映TCP发送速率，为此，本专利技术中，将TCP拥塞窗口值作为发送速率的估计值填入TCP选项字段，以减小CPU估计TCP发送速率的负载。在本实施例中，如图2所示，TCP选项字段分为三个部分：选项类型、占用一个字节，取值为9，表示本TCP选项字段为发送速率的估计值；选项长度，占用一个字节，取值为6，表示TCP选项总共占用6个字节；选项数据，占用4个字节，填入当前TCP拥塞窗口的值，作为TCP发送速率的估计值。2、在交换机端，如图3所示，交换机的每个端口只要接收到数据包，就将TCP报文头部的选项字段读取出来，存入变量speed中，并更新变量aveSpeed＝α×speed+(1-α)×aveSpeed，其中，变量aveSpeed是speed的一阶滑动指数平均值，等效于该端口所有流的平均速率，＝为赋值符号，＝前的变量aveSpeed为该端口更新后变本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于数据中心的可选择性显式拥塞通知标记方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、在发送端，将当前TCP拥塞窗口值作为发送速率的估计值填入TCP报文头部的TCP选项字段；(2)、在交换机端，交换机的每个端口只要接收到数据包，就将TCP报文头部的选项字段读取出来，存入变量speed中，并更新变量aveSpeed＝α×speed+(1‑α)×aveSpeed，其中，变量aveSpeed是speed的一阶滑动指数平均值；设置高、低两个阈值：Kmax和Kmin，当交换机某个端口的队列长度超过Kmax，说明网络拥塞严重，则对到达该端口的所有包进行ECN标记，以便快速缓解拥塞；当交换机某个端口的队列长度低于Kmin，说明网络没有拥塞，不对数据包做任何处理；当交换机某个端口的队列长度介于Kmin和Kmax之间，则比较speed与aveSpeed的值，若speed大于aveSpeed，就标记该数据包，否则不标记该数据包。

【技术特征摘要】
1.一种用于数据中心的可选择性显式拥塞通知标记方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、在发送端，将当前TCP拥塞窗口值作为发送速率的估计值填入TCP报文头部的TCP选项字段；(2)、在交换机端，交换机的每个端口只要接收到数据包，就将TCP报文头部的选项字段读取出来，存入变量speed中，并更新变量aveSpeed＝α×speed+(1-α)×aveSpeed，其中，变量aveSpeed是speed的一阶滑动...

【专利技术属性】
技术研发人员：周攀，虞红芳，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51