[發明專利]一種基于路徑隔離的數據中心網絡混合流路由方法及系統

有效

• 申請號: 202110596018.2
• 申請日: 2021-05-29
• 公開（公告）號: CN113438163B
• 公開（公告）日: 2022-11-25
• 發明（設計）人: 劉波;肖楠;楊霄鵬;梁俊;陳金濤
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍空軍工程大學
• 主分類號: H04L45/00
• 分類號: H04L45/00
• 代理公司: 西安長和專利代理有限公司 61227
• 代理人: 黃偉洪

1.一種基于路徑隔離的數據中心網絡混合流路由方法，其特征在于，所述基于路徑隔離的數據中心網絡混合流路由方法，包括：

步驟一，構建數據中心網絡路徑隔離優化模型，創建隔離路徑并配置路徑優先級隊列；

步驟二，評估流的優先級，計算流的發送速率并實施流速率控制；

步驟三，計算流的傳輸路徑，并按需實施流的重路由；

所述步驟一中，構建數據中心網絡路徑隔離優化模型具體過程為：

使用無向圖G＝(V，E)描述數據中心網絡拓撲模型：網絡中包含V個節點和E條鏈路；將連接主機的交換機稱為邊緣交換機，用ToR表示，用V_ToR表示ToR的集合；無向圖G中每一條鏈路將會被劃分為低時延鏈路LDL或者高吞吐量鏈路HTL中的一種，所有由LDL組成的傳輸路徑被稱為低時延路徑，用LDP表示，所有由HTL組成的傳輸路徑被稱為高吞吐量路徑，用HTP表示；對于任何ToR到ToR的傳輸路徑，路徑隔離方案保證至少有一條LDP和一條HTP；同時，路徑隔離方案以最大化LDP和HTP的數量N_LDP和N_HTP為優化目標；

描述所述隔離路徑的優化模型為：

maxN_HTP×N_LDP

上述優化模型中，和分別表示ToR交換機i到ToR交換機j的高吞吐量路徑和低時延路徑的數目，滿足和分別表示鏈路l是否為低時延鏈路和高吞吐量鏈路，滿足和

所述步驟一中，創建隔離路徑具體過程為：

1)初始化，數據中心網絡拓撲無向圖G＝(V,E)，低時延鏈路集合A_LDL＝φ，高吞吐量鏈路集合A_HTL＝φ，低時延路徑數目N_LDP＝0，高吞吐量路徑數目N_HTP＝0；

2)評估邊緣交換機，獲取邊緣交換機集合V_ToR；

3)選取任意兩個邊緣交換機i、j(i,j∈V_ToR)，計算i到j的所有獨立路徑P_ij；

4)按照和三個限制條件的要求，采用枚舉算法依次將P_ij中不同的路徑設置LDP和HTP，將LDP中的鏈路設置為LDL，放入A_LDL；將HTP中的鏈路設置為HTL，放入A_HTL；

5)根據A_LDL和A_HTL的信息，隨機選擇兩個邊緣交換機s、d(s,d∈V_ToR)，重復3)和4)的過程，將所有鏈路劃分為LDL或者HTL，形成不同的A_LDL和A_HTL；

6)計算不同方案A_LDL和A_HTL對應的N_LDP和N_HTP，選取N_HTP×N_LDP最大化時的A_LDL和A_HTL為隔離路徑方案，輸出A_LDL和A_HTL；

所述步驟一中，配置路徑優先級隊列具體過程為：

將數據中心網絡中的流分為6類，依次為短流、小數據量帶寬敏感流、小數據量時延敏感流、時延敏感流、帶寬敏感流和彈性流；

在低時延路徑和高吞吐量路徑的交換機端口分別設置4個優先級隊列；低時延路徑中的優先級隊列分別對應短流、帶寬敏感流、時延敏感流和彈性流，高吞吐量路徑中的優先級隊列分別對應小數據量帶寬敏感流與小數據量時延敏感流、帶寬敏感流、時延敏感流和彈性流，采用基于優先級的調度策略；高吞吐量路徑最高優先級隊列同時實施速率控制；

所述步驟二中，評估流的優先級具體過程為：

流的優先級評估依據流的特征信息和流的需求信息共同決定，根據流的數據量信息，將數據量小于100KB的流設定為短流，短流的優先級設置為0；對于長流，當數據中心應用為帶寬敏感型應用時，小數據量帶寬敏感流優先級設置為1，其他長流設置為3；同時，將小數據量時延敏感型流的優先級設置為2，其他時延敏感流的優先級設置為4，彈性流的優先級設置為5；使用IP報頭中的DSCP字段中低3位進行流優先級的標識；

所述步驟二中，流的發送速率計算和速率控制具體過程為：

對于帶寬敏感流，設置流f的發送速率v＝BW_d，其中BW_d為流f所需的傳輸帶寬；對于時延敏感流和彈性流，設置流f的發送速率v＝Size_f/Dt_f，其中Size_f為流f的數據量，Dt_f為流f的截止時間；對于彈性流和短流，不設置流的發送速率；使用Linux TC實施流的速率控制；

所述步驟三中，計算流的傳輸路徑，具體過程為：

(1)初始化，數據中心網絡拓撲無線圖G＝(V,E)，待優化流f，低時延鏈路集合A_LDL，高吞吐量鏈路A_HTL；

(2)對于短流，根據邊緣交換機集合V_ToR信息和A_LDL信息，計算所有ToR到ToR的低時延路徑，然后根據枚舉算法實現基于主機負載均衡的短流路由方法，并通過SDN技術為短流預安裝流表，實現短流的主動路由方法；

(3)對于小數據量帶寬敏感流和小數據量時延敏感流，依據高吞吐量鏈路集合A_HTL和ToR交換機s、d的信息計算所有獨立的高吞吐量路徑，選擇首條可以滿足流所需傳輸帶寬的路徑作為流的傳輸路徑；對于帶寬敏感流、時延敏感流和彈性流，依據高吞吐量鏈路集合A_HTL、低時延鏈路集合A_LDL和ToR交換機s、d信息計算所有獨立的低時延路徑和高吞吐量路徑，最后選擇首條可以滿足流所需傳輸帶寬的路徑作為流的傳輸路徑；對于彈性流，依據高吞吐量鏈路集合A_HTL、低時延鏈路集合A_LDL和ToR交換機s、d信息計算所有獨立的低時延路徑和高吞吐量路徑，最后選擇剩余傳輸帶寬最大的路徑作為流的傳輸路徑；

所述步驟三中，流的重路由，具體過程為：

A、初始化，控制器程序使用OpenFlow技術周期性的計算網絡中所有流的傳輸帶寬、所有鏈路的狀態和剩余帶寬，評估流的類型和隔離路徑是否最優；

B、控制器按照以下三種情況，對流f進行重路由；

第一步，控制器程序周期性的評估鏈路的負載情況，當等價鏈路之間的負載差值大于鏈路容量的20％時，認為網絡存在嚴重的負載不均衡問題，控制器程序將負載重的鏈路上的流遷移到負載輕的鏈路；

第二步，端主機流量控制程序感知到流f的當前傳輸路徑無法滿足流f所需的傳輸帶寬，將DSCP字段最高位置為1，通告控制器程序為流f分配新的傳輸路徑；

第三步，端主機流量控制程序感知到時延敏感流f的剩余截止時間小于5*RTT時，當網絡給流f分配的傳輸帶寬小于流f期望的發送速率時，端主機流量控制程序將流f的優先級調整為帶寬敏感流的優先級，通告控制器程序為流f分配更優的傳輸路徑。