【摘要】：當(dāng)前云服務(wù)市場(chǎng)需求呈現(xiàn)出爆炸式的增長(zhǎng)趨勢(shì),大量的傳統(tǒng)業(yè)務(wù)逐漸移到云平臺(tái),促使以云服務(wù)為基礎(chǔ)的市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)高速增長(zhǎng);而國(guó)內(nèi)外互聯(lián)網(wǎng)公司也紛紛推出自己的云平臺(tái)來(lái)?yè)屨际袌?chǎng)。作為云服務(wù)載體的數(shù)據(jù)中心(Data Center,DC),自然成為產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界研究的焦點(diǎn)。但是,隨著租戶和應(yīng)用的爆炸式增長(zhǎng),以及新型服務(wù)模式與技術(shù)的出現(xiàn)。云數(shù)據(jù)中心從服務(wù)模式到軟硬件組織結(jié)構(gòu)都發(fā)生著巨大的變化。由于云數(shù)據(jù)中心傳輸帶寬的不斷提升以及租戶的大量遷入,傳統(tǒng)粗粒度的擁塞控制和流量調(diào)度方案很難提供令人滿意的網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。這些從用戶數(shù)量和應(yīng)用模式,到數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的變化,都給云數(shù)據(jù)中心服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)保障技術(shù)帶來(lái)很新的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。本文主要圍繞云數(shù)據(jù)中心這些新的變化對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞控制和流量調(diào)度帶來(lái)的新的問(wèn)題和挑戰(zhàn),針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景提出兩個(gè)高效的擁塞控制機(jī)制,以及一個(gè)高效的流量調(diào)度方案,來(lái)優(yōu)化低時(shí)延、高并發(fā)的云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)傳輸。針對(duì)當(dāng)前顯式擁塞通知(Explicit Congestion Notification,ECN)無(wú)法為面向單隊(duì)列傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議提供精確的擁塞反饋信息的問(wèn)題,提出了一種基于數(shù)據(jù)包往返時(shí)延(Round Trip Time,RTT)的顯式擁塞通知機(jī)制R-ECN。云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中不明確區(qū)分長(zhǎng)、短數(shù)據(jù)流在性能需求上的差異,擁有廣泛的適用范圍和良好的可部署性,因而在云數(shù)據(jù)中心得到廣泛的應(yīng)用。R-ECN根據(jù)數(shù)據(jù)包的往返時(shí)延RTT,結(jié)合往返時(shí)延偏差梯度算法(Gradient of RTT Deviation,GRD),計(jì)算數(shù)據(jù)包的往返時(shí)延偏離傳輸路徑的平均往返時(shí)延的梯度,然后利用這個(gè)梯度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)顯式擁塞通知ECN的門(mén)限值;從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化,為面向單隊(duì)列傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議提供精確擁塞反饋信息的目的,進(jìn)而優(yōu)化云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議的傳輸性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:與當(dāng)前的顯式擁塞通知ECN相比,R-ECN能進(jìn)一步改善云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議的傳輸性能,同時(shí)還能有效改善網(wǎng)絡(luò)資源利用率;基于R-ECN機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議DCTCP的丟包量,比基于ECN機(jī)制的DCTCP丟包量少了1.95倍。針對(duì)當(dāng)前顯式擁塞通知ECN無(wú)法為面向多隊(duì)列傳輸?shù)牧髁空{(diào)度方案提供精確且差異化的擁塞反饋信息的問(wèn)題,提出了一種基于不同隊(duì)列排隊(duì)時(shí)延的顯式擁塞通知機(jī)制QD-ECN。云數(shù)據(jù)中心多隊(duì)列流量調(diào)度方案根據(jù)租戶或者數(shù)據(jù)流自身的流量特征來(lái)實(shí)施優(yōu)先級(jí)流量調(diào)度;雖然適用范圍受限,且可部署性較差,但由于其優(yōu)越的網(wǎng)絡(luò)傳輸性能,多隊(duì)列流量調(diào)度方案一直是研究的焦點(diǎn)。QD-ECN根據(jù)不同優(yōu)先級(jí)隊(duì)列在平均排隊(duì)時(shí)延上的差異,為每一個(gè)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列提供一個(gè)差異化的ECN門(mén)限值;并且利用排隊(duì)時(shí)延偏差梯度算法(Gradient of Queueing Delay Deviation,G-QDD),計(jì)算數(shù)據(jù)包在每個(gè)隊(duì)列中排隊(duì)時(shí)延偏離該優(yōu)先級(jí)隊(duì)列平均排隊(duì)時(shí)延的梯度,然后根據(jù)這個(gè)梯度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)多個(gè)差異化的ECN門(mén)限值。從而為云數(shù)據(jù)中心多隊(duì)列流量調(diào)度方案提供精確且差異化的擁塞反饋信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:QD-ECN能進(jìn)一步改善多隊(duì)列流量調(diào)度方案的網(wǎng)絡(luò)傳輸性能(包括優(yōu)化數(shù)據(jù)流的平均時(shí)延和尾時(shí)延),并能有效減少其丟包量;基于QD-ECN機(jī)制的多隊(duì)列流量調(diào)度方案PIAS,其時(shí)延敏感短流99.9%位置的流完成時(shí)間,比基于ECN機(jī)制的PIAS低3.06倍。另外,實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí),QD-ECN比ECN擁有更好的魯棒性。針對(duì)云數(shù)據(jù)中心流量調(diào)度方案無(wú)法同時(shí)兼顧廣泛的適用范圍、良好的可部署性和出眾的網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的問(wèn)題,提出了一種基于主機(jī)端的流量調(diào)度方案SPQ。當(dāng)前的流量調(diào)度方案走了兩個(gè)極端,一些方案追求方案本身?yè)碛袕V泛的適用范圍和良好的可部署性的同時(shí),忽略了傳輸性能的提升;而另外一些方案追求出眾的網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的同時(shí),忽略了方案本身的適用范圍和可部署性,導(dǎo)致無(wú)法在當(dāng)前云數(shù)據(jù)中心部署實(shí)施。SPQ根據(jù)主機(jī)和交換機(jī)在流量調(diào)度的靈活性與粒度上的巨大差異,從交換機(jī)解耦主機(jī)端的流量調(diào)度,從而有效解決了上面的問(wèn)題。SPQ在主機(jī)端模擬最少獲得服務(wù)(Least Attained Service,LAS)算法,在每個(gè)主機(jī)端都能實(shí)現(xiàn)近似最優(yōu)的優(yōu)先級(jí)調(diào)度;在交換機(jī)中,使用單一的先進(jìn)先出算法來(lái)避免多隊(duì)列流量調(diào)度方案多個(gè)常見(jiàn)的缺陷。同時(shí),為了緩解網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中長(zhǎng)流對(duì)時(shí)延敏感短流性能的影響,SPQ根據(jù)ECN反饋和數(shù)據(jù)包的丟包情況來(lái)實(shí)施不同力度的反饋調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示:SPQ在具有廣泛的適用范圍和良好的可部署性的同時(shí),還能獲得近似最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)傳輸性能;與當(dāng)前理論最優(yōu)的方案相比,SPQ在優(yōu)化時(shí)延敏感短流的平均時(shí)延方面僅僅只有0-1.1%的差距。同時(shí),實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明,SPQ能有效規(guī)避當(dāng)前多隊(duì)列流量調(diào)度方案中常見(jiàn)的多個(gè)缺陷所帶來(lái)的性能影響。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP393.06

【參考文獻(xiàn)】

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2 魏杰;時(shí)延敏感的云計(jì)算虛擬資源調(diào)度方法研究[D];北京郵電大學(xué);2018年

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5 張鵬;數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的流量管理和優(yōu)化問(wèn)題研究[D];北京郵電大學(xué);2013年

6 馮振乾;云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)帶寬隔離技術(shù)研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2012年

本文編號(hào)：2777991