低延迟数据中心网络拥塞控制机制研究

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近年来,随着互联网和云计算的快速发展,数据中心已经成为许多在线服务的关键基础设施,如Web搜索、在线零售、广告/推荐系统以及社交网络等。这些服务通常是软实时性的交互式应用,延迟对用户体验有重要影响,并最终影响服务提供商的运营收入。  网络是数据中心的重要组成部分,降低网络延迟是最近几年数据中心网络领域研究的热点。TCP是数据中心里最主要的传输层协议,主要目标是为数据中心提供低延迟高带宽的数据传输机制。然而,由于目前数据中心的传输层协议是公平共享的、不支持灵活的调度策略并且要求配合使用基于哈希的多路径传输机制,不能很好地满足应用的软实时性要求。针对这些问题,本文以降低数据中心网络延迟为主要目标,围绕数据中心拥塞控制机制展开研究,主要研究内容和贡献如下:  1、提出一种基于优先级的时限感知的数据中心网络拥塞控制算法PD2TCP,把优先级机制引入拥塞控制,解决了目前数据中心传输层协议不支持优先级划分,导致很大一部分流错过时限的问题。该算法严格区分了时延敏感的流和时延不敏感流之间的优先级关系,并且可以动态调整延迟敏感流之间的相对优先级。使用典型的数据中心拓扑和流量模型,同时在真实环境和仿真实验下对算法的性能进行评价,实验结果表明,与目前已有的算法相比,PD2TCP显著降低了时延敏感流错过时限的比例。具体来说,与D2TCP相比,PD2TCP错过时限流的比例降低了65%,流完成时间的99th分位数降低了45%,并且几乎没有伤害背景流量的吞吐率。PD2TCP能够和TCP共存,因而可以在真实环境中部署。  2、提出一种协调一致的数据中心网络拥塞控制和多路径传输机制,把拥塞控制和多路径传输机制协调统一起来,解决了目前数据中心网络基于哈希的多路径传输机制导致流量分布不均匀,致使网络流经历不必要的排队延迟的问题。该机制充分利用数据中心拓扑的多路径特性,在多条等价路径上均匀分布流量,并根据流的时效性需求对其赋予不同的优先级,利用ECN自适应地对拥塞做出反应。同时在真实和仿真环境中,采用真实的数据中心流量模型对该机制进行评价。实验结果显示,该机制与目前采用TCP和基于哈希的多路径传输机制相比,对延迟敏感的流,应用吞吐率提高30%,流完成时间的99th分位数降低90%;对背景流量,流的平均完成时间降低50-80%。  3、提出一种支持灵活调度策略的数据中心网络拥塞控制算法FDTCP,把SJF/EDF调度策略引入到拥塞控制中,为构建延迟性能最优的数据中心网络提供了一种解决方案。该算法通过流已经发送的数据量来估算流的大小,通过流已经经历的时间来估算流的时限,使协议栈在不知道流的大小和时限的情况下,以及在没有全局的可抢占的调度器的情况下,近似实现了SJF/EDF调度策略。使用真实的数据中心流量模型,仿真实验结果表明,该算法可以获得接近理论最优的应用吞吐率以及平均的流完成时间。FDCTCP算法可以和现有TCP共存,因而可以在真实环境中部署,并且不需要应用层的参与,极大地降低了增量部署的难度。
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