CN103457871B - Dcn中基于延迟约束的拥塞避免阶段的增窗方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种DCN中基于延迟约束的拥塞避免阶段的增窗方法，在拥塞避免的增窗阶段，依据网络拥塞状态和数据流的紧迫程度来设置窗口的增量，使得窗口的增长速度在线性增加和指数增加之间自适应变化。本发明可以让数据流根据延迟约束更加合理地使用网络可用带宽，从而减少数据流的通信时间、提升在延迟约束内传输完成的数据流数量，同时又实现了TCP友好性。

Description

DCN中基于延迟约束的拥塞避免阶段的增窗方法

技术领域

本发明涉及数据中心网络中(DCN，DataCenterNetwork)拥塞控制过程中拥塞避免阶段的增窗方法。

背景技术

数据中心网络在为网络用户提供应用服务时，往往会在数据中心内部产生数以百计的数据流，这些数据流在汇聚机和工作机之间，经由各层交换机频繁进行通信，最终由汇聚机将所有工作机的运算结果进行汇总和整理，再交由用户。

数据中心运营商所提供的此类服务一般都有一个标准来衡量服务质量，而这个标准在用户看来则主要是服务的响应延迟，也就是从用户发出服务请求给数据中心开始计时到数据中心运算完成并交付运算结果给用户所经历的时间。一般来说，服务的响应延迟应保证在200ms-300ms之间。依据应用层给出的要求，完成一次服务所形成的每条数据流的通信持续时间限制——延迟约束的一般范围是10ms-60ms。在一次服务过程中，如果某些数据流错过了延迟约束，那么其携带的数据将不会被汇聚机接收，从而势必会降低结果数据的准确性和精确性。

数据中心网络虽然具有超高带宽、超低延时的特性，但仍使用传统TCP进行传输控制。由于传统TCP主要适用于广域网络，而广域网在带宽和延时上与数据中心网络有着很大的差异，如果继续沿用传统TCP，那么不仅无法最大限度的发挥数据中心网络的通信能力，还会带来很多无法预知的问题。

针对数据中心网络沿用传统TCP所产生的问题，很多文献都提出了相应的改进办法。这其中有DCTCP协议，它使用ECN机制将网络的拥塞程度反馈回发送方以提前降低发送速率来达到控制交换机队列占用量的目的，不仅降低了包的排队延时而且还能够有效的提高交换机应付突发拥塞的能力。但由于不考虑每条数据流的延迟约束要求，因此并不能保证数据流在自己的延迟约束内完成。

D³协议考虑数据流的延迟约束要求，并通过显式速率控制来根据数据流的延迟约束分配网络带宽，以此来减少数据流的通信时间。虽然在一定程度上减少了错过延迟约束的数据流的数量，但由于需要修改包头和交换机的操作方式，因此工程部署难度大，并且很难和现阶段使用的传统TCP共存。

D²TCP协议在DCTCP的基础上，利用伽马修正函数，对DCTCP的降窗方式进行改进，并在改进过程中考虑每条数据流的延迟约束要求来进行合理降窗。D²TCP不仅提高了在延迟约束内完成的数据流的数量，还能很好的和传统TCP共存，但由于对延迟约束的敏感程度不足，所以性能还有很大的提升空间。

因此，力求让数据中心网络的拥塞控制既要考虑数据流的延迟约束要求，又要尽量不加重网络拥塞，是一个亟待解决的问题。

发明内容

为了解决上述数据中心网络拥塞控制过程无法及时有效地感知数据流的延迟约束要求，无法充分利用数据中心网络的通信能力等问题，本发明提供了一种DCN中基于延迟约束的拥塞避免阶段的增窗方法。

本发明的技术方案包括以下步骤：

一种DCN中基于延迟约束的拥塞避免阶段的增窗方法，包括以下步骤：

步骤一：初始化；

步骤二：计算在i时刻对应的当前网络拥塞程度a_i和当前发送数据流的紧迫程度u_i；

步骤三：更新下一时刻的发送窗口大小cwnd_i+1，【用于在下一时刻按更新后的窗口大小发送数据；】使得i＝i+1，并返回步骤二。

所述步骤一包括：发送窗口初始大小按TCP默认方式设置；初始化网络拥塞程度α₀＝0；设置交换机出口缓存队列长度阈值K＝65。

所述步骤二中：交换机监控出口缓存队列长度，当队列长度超过K时，交换机利用ECN机制开始标记之后到达的数据包，将网络拥塞状态反馈回发送方；发送方当收到当前窗口内的全部ACK后，统计标记ACK所占全部ACK的数量比例，并计算当前网络拥塞程度a_i：

α_i＝(1-g)*α_i-1+g*f_i

其中，f_i是当前窗口内标记ACK所占全部ACK的数量比例，a_i-1是上一次计算出的网络拥塞程度，g是加权平均系数，取值为1/16。【ACK(Acknowledgement)，即确认字符，在数据通信中，接收站发给发送站的一种传输类控制字符。表示发来的数据已确认接收无误】

所述步骤二中u_i的计算公式为：

$u_i=\frac{size\_{\mathrm{remain}}_i*{\mathrm{RTT}}_i}{2*deadline\_{\mathrm{remain}}_i*{\mathrm{cwnd}}_i}$

其中，size_remain_i表示到目前为止当前数据流还未传输的数据量，RTT_i表示当前网络的往返延时，deadline_remain_i表示数据流剩余可用的传输时间，cwnd_i表示当前数据流的发送窗口大小，u_i的取值区间设置为[0，1]。

所述步骤三中，当当前数据流已经错过了延迟约束，使用传统TCP的线性增窗cwnd_i+1＝cwnd_i+1；否则，根据网络拥塞程度和数据流紧迫程度调整发送窗口的大小。

所述根据网络拥塞程度和数据流紧迫程度调整发送窗口的大小具体为：每当发送方收到当前发送窗口内的所有ACK后，发送窗口值更新为：

其中cwnd_i表示当前发送窗口大小；参数u_i表示当前发送数据流的紧迫程度，其取值区间为[0，1]；参数a_i表示当前网络拥塞程度，其取值区间为[0，1]；表示下取整。

所述步骤四中判断当前数据流是否已经错过延迟约束的方法是：根据从数据流开始发送到当前所经历的时长是否大于延迟约束值，若大于，则错过；否则没错过。

所述步骤二中交换机利用ECN机制标记之后到达的数据包，将网络拥塞状态反馈回发送方具体为：每当交换机的队列长度超过给定的阈值K，交换机就开始对之后到达的包打上CE标记；该标记包到达接收方后，接收方再对其ACK打上ECE标记，反馈到发送方。发送方在收到当前窗口全部的ACK后进行计算得出f_i，即当前窗口内标记ACK占本窗口全部ACK的数量比例。

本发明的技术效果在于：在拥塞避免的增窗阶段，每当发送方收到当前窗口内的所有ACK后，依据当前数据流的紧迫程度和网络的拥塞程度来调整窗口增量，以使得窗口增长速度在线性增加和指数增加之间自适应地调整。从而让数据流更合理的使用网络可用带宽，以保证更多的数据流在延迟约束内完成，同时又实现了TCP友好性。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为延迟约束敏感性测试图，其中本发明命名为A²DTCP，

图2(a)为传统TCP下4条流的吞吐量；

图2(b)为DCTCP下4条流的吞吐量；

图2(c)为D²TCP下4条流的吞吐量；

图2(d)为使用本发明(A²DTCP)时4条流的吞吐量。

图3为有/无延迟约束的数据流共存时实验拓扑结构图。

图4为本发明的有/无延迟约束的数据流共存的实验结果图，其中本发明命名为A²DTCP，

图4(a)为在不同的扇入度情况下，各协议错过延迟约束的数据流比例；

图4(b)为在不同的扇入度情况下，各协议无延迟约束的2条长流的吞吐量。

图5为OLDI(OnlineData-Intensive)应用场景实验拓扑结构。

图6为本发明的OLDI应用场景实验效果图，其中本发明命名为A²DTCP，

图6(a)为在对数据流延迟约束的默认值加上10％的均匀随机扰动后，不同的扇入度情况下各协议错过延迟约束的数据流比例；

图6(b)为在对数据流延迟约束的默认值加上50％的均匀随机扰动后，不同的扇入度情况下各协议错过延迟约束的数据流比例。

图7为本发明的TCP友好性实验结果图，其中本发明命名为A²DTCP。

具体实施方式

参见图1，图1为本发明的流程图。过程如下：

按TCP默认方式设置发送窗口初始大小cwnd₀＝1，初始化网络拥塞程度α₀＝0；设置交换机出口缓存队列长度阈值K＝65。

在进行各项参数初始化后，发送方判断是否收到当前窗口的全部ACK，若否则继续等待；否则，发送方计算当前窗口内标记ACK所占全部ACK的数量比例，接着发送方将上一次计算出的网络拥塞程度a_i-1和f_i进行加权平均运算，更新网络拥塞程度a_i；

α_i＝(1-g)*α_i-1+g*f_i

上式中，f_i表示当前窗口内标记ACK所占全部ACK的数量比例，g是加权平均系数，取值为1/16。

然后发送方再使用下式来计算数据流的紧迫程度u_i：

$u_i=\frac{size\_{\mathrm{remain}}_i*{\mathrm{RTT}}_i}{2*deadline\_{\mathrm{remain}}_i*{\mathrm{cwnd}}_i}$

上式中，size_remain_i表示到目前为止数据流还未传输的数据量，RTT_i表示当前网络的往返延时，deadline_remain_i表示数据流剩余可用的传输时间，cwnd_i表示当前数据流的发送窗口大小，u_i的取值区间设置为[0，1]。

发送方接下来判断当前数据流是否已经错过了延迟约束，如果已经错过，则仍使用传统TCP的线性增窗，调整方式为：

cwnd_i+1＝cwnd_i+1

否则，就按照下式对数据流的发送窗口进行调整：

然后，发送方就根据新拥塞窗口大小发送数据。只要数据流没有发送完，那么数据流就会再次进入到更新网络拥塞程度的步骤重复上述过程。

本发明利用NS2.35网络仿真平台来实现，并进行了性能测试。

图2是延迟约束敏感性验证，目的是为了验证传统TCP、DCTCP、D²TCP以及本发明A²DTCP对数据流延迟约束要求的敏感性。实验环境如下：5台工作机经由8Gbps的链路接入到一个交换机，其中4台工作机同时向第5台工作机发送数据。4条数据流大小均为100MB，延迟约束大小分别为0.25s、0.43s、0.85s和1.65s，在无背景流的情况下，于0.1s时刻同时开始向第5台工作机发送，对于要使用ECN的协议，交换机队列标记门限K的值设为65。

从图2(a)和(b)看出，在传统TCP和DCTCP协议下，各条流公平竞争带宽，因此完成时间非常接近。但公平共享带宽导致了flow0和flow1并没有在他们各自的延迟约束内完成。

在图2(c)中，D²TCP能够感知数据流的延迟约束要求，但由于其感知过程只存在于降窗阶段，而且利用网络可用带宽不够及时，使得最紧迫的数据流flow0吞吐量增长较慢，也因此没有在延迟约束内完成。

从图2(d)中看出，本发明A²DTCP则完全可以识别出数据流对带宽的争夺意识，并从一开始就迅速让最紧迫的数据流获得最大的带宽。从图2(d)中还可以看出，在每个阶段中，网络中存在的最紧迫的数据流都能够最快最多的获得网络的可用带宽。因此，本发明使得4条数据流均在延迟约束内完成。

图3是有延迟约束的数据流和无延迟约束的数据流混合通信的实验拓扑图。该实验使用OLDI(OnlineData-Intensive)应用场景，具体如下：一个根节点主机，叶节点主机数分别设为20、30和40台，链路带宽为10Gbps，根节点主机周期性地发送一个查询请求到所有的叶节点主机，然后叶节点主机在等待一个固定计算时间之后同时向根节点主机发送应答数据流，这些数据流大小在100KB-500KB之间随机取值，延迟约束在5ms-25ms之间随机取值；另外，还有两台主机通过同一个交换机连接到根节点主机，并每隔80ms分别向根节点主机发送大小为10MB的无延迟约束的背景数据流。整个实验中根节点主机以上述方式持续向叶节点主机发送1000次查询请求。

图4是有/无延迟约束要求的数据流混合通信的实验结果图。从图4(a)和(b)中可以看出，传统TCP下错过延迟约束的数据流的比例最高，且背景数据流的吞吐率最低。DCTCP虽然有最高的背景流吞吐率，但是错过延迟约束的数据流的比例较高。D²TCP背景流吞吐率略高于A²DTCP，但错过延迟约束的数据流比例高于A²DTCP，因此A²DTCP的综合性能最好且能够确保有延迟约束的数据流不会过多影响到背景流。

图5为本发明的OLDI应用场景实验拓扑图。在此结构中有25个机架，每个机架上装有40台主机，总主机数为1000台；每台主机经由1Gbps的链路连接到架顶交换机。

图6为OLDI应用场景下的本发明的性能测试。实验在图6所示拓扑上运行5个OLDI应用服务，并均等的将所有主机划分给这5个应用服务使用；每棵树有1个父节点主机和n个叶节点主机，每个叶节点主机具有相同的从叶节点主机发向父节点主机的数据流的大小和延迟约束大小。数据流大小分别为70KB、75KB、80KB、85KB和90KB，延迟约束大小分别为20ms、30ms、40ms、50ms和60ms。在上述数据流大小和延迟约束大小的基础上，我们对每组的延迟约束加上10％和50％的均匀随机扰动，然后观察各种协议错过延迟约束的数据流例。

从图6(a)中可以看出，在加上10％均匀随机扰动的情况下，扇入度为10，15，20时，4种协议错过延迟约束的数据流的比例都为0。对于D²TCP和A²DTCP来说，扇入度为20和25的两种情况都能够保证错过延迟约束的数据流比例为0。扇入度从30开始，随着扇入度的递增，D²TCP和A²DTCP都呈现出比例增加的趋势。总体来说A²DTCP获得了最好的性能。

从图6(b)中可以看出，在加上50％的均匀随机扰动的情况下，随着网络拥塞程度的加重，各个协议都出现了性能逐渐下降的现象；但是综合来看，A²DTCP错过延迟约束的数据流比例最低。

图7为TCP友好性测试，目的是为了证明本发明A²DTCP能够很好的与传统TCP共存。继续使用图6的场景和图5所示的网络拓扑，并让使用本发明A²DTCP进行通信的数据流和使用传统TCP进行通信的数据流进行混合通信。实验中扇入节点的数量被限制在35和40，并将5个OLDI应用划分成两组，分别是setA和setB。其中setA有3个OLDI应用，setB则是剩下的2个OLDI应用。混合方式具体如下：

Step1：setA、setB和背景数据流全部都是传统TCP协议数据流；

Step2：setA变为A²DTCP数据流，背景数据流和setB仍然是传统TCP协议数据流；

Step3：setA和背景数据流变为A²DTCP数据流，setB仍然是传统TCP协议数据流；

从图7中可以看出，当逐渐加入A²DTCP数据流后，setA和setB的错过延迟约束的数据流比例均明显下降，而且当背景流变为A²DTCP后，两个数据流集的错过延迟约束的数据流比例也都没有受到影响。因此，A²DTCP能够很好地和传统TCP共存。

Claims (2)

1.一种DCN中基于延迟约束的拥塞避免阶段的增窗方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：初始化；

步骤二：计算在i时刻对应的当前网络拥塞程度α_i和当前发送数据流的紧迫程度u_i；

步骤三：更新下一时刻的发送窗口大小cwnd_i+1，使得i＝i+1，并返回步骤二；

所述步骤二中：交换机监控出口缓存队列长度，当队列长度超过K时，交换机利用ECN机制开始标记之后到达的数据包，将网络拥塞状态反馈回发送方；发送方当收到当前窗口内的全部ACK后，统计标记ACK所占全部ACK的数量比例，并计算当前网络拥塞程度α_i：

α_i＝(1-g)*α_i-1+g*f_i

其中，f_i是当前窗口内标记ACK所占全部ACK的数量比例，α_i-1是上一次计算出的网络拥塞程度，g是加权平均系数，取值为1/16；

所述步骤二中u_i的计算公式为：

$u_i=\frac{size\_{\mathrm{remain}}_i*{\mathrm{RTT}}_i}{2*deadline\_{\mathrm{remain}}_i*{\mathrm{cwnd}}_i}$

其中，size_remain_i表示到目前为止当前数据流还未传输的数据量，RTT_i表示当前网络的往返延时，deadline_remain_i表示数据流剩余可用的传输时间，cwnd_i表示当前数据流的发送窗口大小，u_i的取值区间设置为[0，1]；

所述步骤三中：当当前数据流已经错过了延迟约束，使用传统TCP的线性增窗cwnd_i+1＝cwnd_i+1；否则，根据网络拥塞程度和数据流紧迫程度调整发送窗口的大小；

所述根据网络拥塞程度和数据流紧迫程度调整发送窗口的大小具体为：每当发送方收到当前发送窗口内的所有ACK后，发送窗口值更新为：

其中cwnd_i表示当前发送窗口大小；参数u_i表示当前发送数据流的紧迫程度，其取值区间为[0，1]；参数α_i表示当前网络拥塞程度，其取值区间为[0，1]；表示下取整。

2.根据权利要求1所述的DCN中基于延迟约束的拥塞避免阶段的增窗方法，其特征在于，所述步骤一包括：发送窗口初始大小按TCP默认方式设置；初始化网络拥塞程度α₀＝0；设置交换机出口缓存队列长度阈值K＝65。