[發明專利]一種數據中心去帶寬碎片化流調度方法

有效

• 申請號: 201410062758.8
• 申請日: 2014-02-24
• 公開（公告）號: CN103825838B
• 公開（公告）日: 2017-11-10
• 發明（設計）人: 管海兵;宋濤;李健;馬汝輝;劉宇宸
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H04L12/803
• 分類號: H04L12/803;H04L12/811
• 代理公司: 上海旭誠知識產權代理有限公司31220
• 代理人: 鄭立

技術領域

本發明涉及計算機網絡方向數據中心網絡的負載均衡領域，尤其涉及一種基于軟件定義網絡的概率帶寬最緊匹配路徑網絡流調度算法，用于解決現有數據中心網絡均衡算法產生的帶寬碎片化問題。

背景技術

網絡的負載均衡（Load Balance）問題一直是計算機網絡領域內的熱點研究問題，它極大的相關于網絡的服務質量（Quality of Service，QoS）。目前該領域的相關研究可以分為基于服務器（Servers）的網絡負載均衡和基于鏈路（Links）的網絡負載均衡兩種類型。基于服務器的網絡負載均衡主要著眼于多臺服務器之間的任務分配造成的帶寬使用的不均衡，通過調度任務遷移從而達到帶寬負載均衡的目的；基于鏈路的負載均衡則主要關注整個網絡中各條鏈路的負荷情況，通過改變不同網絡流或數據包的路徑，達到調節鏈路負荷，實現網絡負載均衡的目的。

近年來，云計算技術的廣泛應用使得數據中心得以大規模的興建，而數據中心的網絡，不同于傳統意義上的網絡，由于（1）巨量的服務器、（2）龐大復雜的網絡拓撲、（3）同一服務虛擬機群部署的非局部性等特性的存在，使得基于鏈路的網絡負載均衡方法更適用于數據中心網絡的負載均衡研究。目前，大量的數據中心負載均衡研究據此展開，它們有一個共通的特點，利用數據中心網絡拓撲中路徑的冗余，調度網絡流或數據報通過合適的路由，從而提高整個網絡的帶寬利用率和吞吐率，達到提高服務質量的目的。

目前，數據中心網絡負載均衡的主流方法通常基于最小負載的概念，采用優先選取帶寬占用量最少或較少的一條路徑的辦法，進而使得網絡流盡可能均勻分布到各條鏈路，從而減少實時狀況下網絡流擁塞狀況的發生，最終達到提高服務質量的目的。然而，這樣的方法卻缺少對下一步產生的網絡流情況的考慮，在某些情況下，將產生網絡帶寬碎片化問題，反過來影響新網絡流接收，特別是當新網絡流顆粒度更大時，這種影響尤為明顯。

帶寬碎片化（Bandwidth Fragmentation,BF）是指獨立的新網絡流的帶寬需求大于其任一候選網絡鏈路的剩余帶寬，卻小于候選網絡鏈路剩余帶寬之和的現象。這一現象使得新網絡流在網絡中被阻塞，網絡利用率降低，進而影響到服務質量。這說明現有的數據中心網絡負載均衡方法在網絡流的分配和調度上考慮不夠全面，存在一定的不合理性。

面對數據中心中產生的帶寬碎片化現象，如何能夠去除它，成為了一道急待解決的難題。近兩年來，一種叫做軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）的新型網絡架構開始成為熱門研究技術，它是一種網絡虛擬化技術，由斯坦福大學的Clean State研究計劃首先提出，其核心是Openflow協議，它通過將網絡（交換機）中的數據面（Data Plane）和控制面（Control Plane）進行分離，通過軟件的方式實現原本硬件應該完成的控制面部分，該部分軟件安裝在一臺或多臺控制器（Controller）上，從而通過這些控制器，以中央控制的方式，通過軟件實現了網絡流路由的靈活控制。這種可通過軟件的方式實現對網絡流路由策略進行自由控制的方法為上述網絡中心帶寬碎片化問題的解決提供了一種實現的可能性。

發明內容

有鑒于現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是結合新興的軟件定義網絡架構，設計一種概率帶寬最緊匹配路徑分配的網絡流調度算法并將其實現為整個流調度控制模塊，期間還需克服以下3個技術難點：

（1）負載均衡和去網絡碎片的權衡；前者能有效減少當前網絡的阻塞狀況，卻可能產生未來的阻塞，后者能減少網絡碎片，卻又增加了當前網絡流調度的難度，因此找到一個平衡點尤為重要。

（2）如何獲取網絡流帶寬需求；網絡流的實際流量并不代表網絡流的帶寬需求，如果將現有的網絡流路由路徑改變到另一條候選路徑上，網絡流的實際流量可能會增大，這會影響去帶寬碎片化算法的有效性。

（3）如何判斷網絡流的結束；網絡流結束后會釋放其占用的帶寬資源，在去帶寬碎片化算法中準確判斷網絡流的結束對算法下一步的進行有關鍵作用。

為實現上述目的，本發明提供了一種基于軟件定義網絡的數據中心去帶寬碎片化流調度方法，包括以下步驟：