基于SDN的數據中心動態優先級多路徑調度算法概論

黃浩

摘 要 云計算的發展使得越來越多的服務選擇部署在大型的數據中心，而不是部署在本地服務器上。傳統的數據中心流量主要是來自數據中外部客戶端請求訪問數據中心內部服務器的流量，近年來隨著分布式業務的發展，數據中心內部服務器之間的流量大幅增加，例如主從備份、設備動態遷移等。這些流量稱為“東西向”流量，現在數據中心中“東西向”流量占總流量的80%，即數據中心內部服務器之間的通信流量占絕大多數。數據中心網絡的特點是服務器之間的流量大、突發流量大等，通常數據中心是通過增加冗余鏈路來達到增加帶寬的目的，如何調度多個鏈路成為提高網絡性能的關鍵，所以需要為數據中心制定高效可行的流量調度方法，來緩解網絡流量壓力。

關鍵詞 流量調度;多路徑傳輸;軟件定義網絡;數據中心網絡

引言

隨著網絡的不斷發展，伴隨著云服務和網絡服務器虛擬化的出現，網絡中流量的大量增長。數據中心網絡（DCN，DataCenterNetwork）[1]提供非常高的聚合帶寬，使得網絡中心的數十萬臺服務器承載的各種各樣的應用程序，包含有Web服務、電子商務、網絡游戲等。DCN中的流量[2]主要可分為兩類：批量數據傳輸（俗稱大象流，由數據備份和虛擬機遷移等進程產生），對帶寬需求較高和短期數據交換（也稱為老鼠流，由Web服務和分布式計算等應用進程）。延遲對于用戶的服務質量有重大影響。數據中心流量研究報告[3]顯示，網絡中大象流承載了整個網絡80%的流量。因此，解決數據中心網絡中流量沖突造成的擁塞，必須對網絡中的大象流進行合理調控。

1SDN的發展及體系架構

SDN技術主要由一個分布式轉發功能與集中控制平面兩部分網絡框架構成，采用軟件技術編程的思想將不同的功能分離運行，以達到對數據進行集中式控制管理的目的，并與開放式的網絡進行對接，達到靈活利用資源的目的。SDN技術是一種新式的網絡架構技術，具有控制與轉發分離功能，實現網絡數據的集中控制與優化的功能，并能通過網絡實現數據業務的編程，在網絡架構上具有開放的接口，實現網絡數據分布式轉發與控制。

2多路徑調度算法設計

2.1 大象流檢測模型

本文使用sFlowagent統計交換機中的流量，使用sFlowrt作為收集器。整個過程中sFlowagent過濾掉已經被認定為大象流的流量不必全量采樣，且對數據包的處理過程發生在數據平面，這樣有效地減少了控制平面的額外負擔。采樣率設置為1/z，表示每z個數據包采樣一個數據包，采樣率必須設置合理，過大會導致大象流的丟失，影響準確性，過小會增加內存和計算負擔。整個過程中，采樣的數據包需要實時計算自適應閾值σ來判斷是否是大象流。數據中心的流量服從重尾分布，大象流的數量很少，但卻占據了大部分的網絡流量，老鼠流的數量很多，卻只占有很少的流量，數據中心經常使用這一特性改善網絡鏈路。

2.2 拓撲發現與K最短路徑算法

不失一般性，本文使用的網絡拓撲為Fat-Tree拓撲，用G（V，L）表示網絡，其中V表示網絡鏈路所有節點，L表示網絡鏈路集合Fat-Tree網絡結構分為Core、Aggregation和Edge三層，主機連接在Edge層交換機，Core層交換機與控制器相連接。K元Fat-Tree的任意兩個Pod主機之間的拓撲存在K條路徑，在網絡中兩個主機通信具有多條路徑選擇，某一鏈路失效可切換到其他路徑，所以該網絡拓撲具有一定的網絡容錯功能，還可實現網絡流量的負載均衡。根據Fat-tree網絡拓撲的特點，發現在不同端主機之間存在多條基于跳數的最短路徑，K元Fat-tree拓撲中，不同Pod內的通信源目的主機之間有k2/4個等價路徑，所以對于大象流的調度方案是根據一種K最短路徑算法（KShortestPaths，KSP） 求出最短偏離路徑合集{L1，L2，L3…Ln}之后，對網絡中OpenFlow交換機的工作狀態與鏈路剩余帶寬進行度量，最后選擇一條負載較輕的路徑。

2.3 可行路徑計算

K-podFattree網絡分為3個層次：自上而下分別為邊緣層、匯聚層和核心層，圖2給出了一個4-podFattree網絡架構的示例。拓撲含有（k/2）2個核心交換機，其中匯聚層交換機與邊緣層交換機構成一個pod，每個pod有k/2個匯聚層交換機。在此網絡拓撲中，pod間任何主機對之間都存在（k/2）2條相同的最短路徑。pod內流分為2種情況：如果2個主機連接在一個交換機上，那么就只有一條最短路徑可選，如果不在同一個交換機上則有k/2條最短路徑。本文采用K短路徑算法（KSP）來得到跳數最少的k條路徑，并計算鏈路代價作為每條路徑的優先級，最后下發組表和流表。本文將此算法稱為動態優先級多路徑調度算法（DPMS）。

2.4 網絡鏈路負載計算

網絡鏈路的使用狀況對于大象流路徑的轉發具有特別大的影響，對于給定的網絡拓撲G（V，L），Pi表示在源目的節點之間的第i條路徑。對于網絡中流用集合F表示，表示Wl鏈路l上的流量帶寬之和，鏈路l的容量用C表示，由此可得鏈路l的帶寬使用率根據網絡中OpenFlow交換機的度量值M與網絡鏈路帶寬使用率Ul兩方面對網絡負載進行評估，得到網絡負載度量值E。上述網絡度量值描述的是網絡中一條鏈路的綜合負載（包括鏈路帶寬利用率，交換機負載），在公式中M1，M2表示鏈路兩端交換機的負載度量值，E值越小說明網絡鏈路負載越低，反之亦然。

3結束語

SDN技術在網絡通信中的應用，對實現網絡智能控制具有十分重要的作用，作為一種靈活的技術架構方式，SDN技術在可持續演進網絡中，可以讓網絡系統的架構更加靈活，更加智能化，特別是SDN技術在網絡中的應用，可提高網絡的新架構與新的運營模式，實現網絡系統架構的集約化發展，實現網絡管理的智能化與自動化，以及網絡數據的快速處理。

參考文獻

[1] 徐儉.SDN疊加虛擬化網絡技術探究[J].電視工程，2018（4）：14-17.

[2] 高平，張帆，張東，等.基于SDN的云架構網絡高確定性流量控制方法[J].計算機工程，2018，44（12）：74-78，84.

[3] 朱曉榮，張倩.面向多業務需求的NFV和SDN融合的資源優化算法[J].通信學報，2018，39（11）：54-62.