基于DPDK的数据中心内光电混合网络技术研究

发布时间：2020-10-26 17:28

　　 随着云计算产业的高速发展,诸多行业都加入到了云计算的大潮中。而作为承载云计算业务的数据中心网络却面临着业务流量急速增长的挑战。推动数据中心内部网络技术的研究与创新势在必行。而随着业务需求增大,机架内服务器网卡速率势必进行相应提升(40Gbps乃至1OOGbps),受限于交换容量的架顶电交换机将面临巨大压力。光交换相比于电具有速率透明、低能耗以及成本低廉等优点,但在细粒度交换场景中,其控制平面缺乏灵活性。如何将二者优势互补进行数据中心内光电混合组网成为新的研究热点。基于当下对于机架内光互连网络的相关研究成果以及SDN技术与数据中心网络相结合思路,为实现在机架内SDN智能化,本文提出了一套机架内光电混合组网方案,结合SDN技术将流量在光电两套网络中进行弹性调度,以缓解机架间电交换网的压力,结合网络控制器技术,完成流量控制。在面向服务器的光互连网络中,通过研究Fastpass框架以及DPDK技术,扩展设计出了光互连系统中的网络控制器,实现一种适用于光互连场景下新的时隙分配算法以及光交换设备的控制逻辑,并通过实验验证其运算能力以及网络承载量。结合上述研究成果,针对机架内光互连中数据发送时间精度以及光设备切换效率问题,本人提出一种周期性时隙规划的OTDM快速光交换优化方案。其中,(1)利用FPGA设计实现了一种适用于该场景下基于高速光开关器件的光交换机;(2)结合DPDK技术优势设计实现了在服务器端的TDM式网络代理解决方案,通过测试两者相关指标证明其实用性。论文最后分析了实际应用场景下,该光互连系统所面临的时间同步问题并给出通过硬件设备解决该问题的方案设想。该系统作为一种新的应用于数据中心机架网络的光互联方案,具有一定探究性及试验性,也希望为该方向的未来研究工作提供一种研究思路。
【学位单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP308
【部分图文】：

?２．２．１?Ｌｉｎｕｘ发送数据包流程??图２－２为Ｌｉｎｕｘ数据包发送流程框图，其描述了在Ｌｉｎｕｘ操作系统中，数据??包发送阶段主要处理流程１３３］。以用户态普通进程为例，当用户态程序逻辑调用??ＳｏｃｋｅｔＡＰＩ函数接口后，会触发系统中断陷入内核态。而后通过系统调用触发整??个发送过程。由于Ｌｉｎｕｘ内存机制，用户态与内核态间内存地址不可见，需要通??过调用如ｃｏｐｙ＿ｆｒｏｍ＿ｕｓｅｒ（）函数将待发数据段内容从用户空间拷贝至内核空间。??而后根据相应Ｓｏｃｋｅｔ文件描述符找到对应逻辑，进行内核态协议栈的处理工作，??其中主要包括了传输层及网络层的处理。??Ｓｏｃｋｅｔ?ＡＰＩ?／?，?１?、??用户态?ｊ?／?ｄｅｖ－＞ｔｘ－＞ｑｄｉｓｃ－＞ｅｎｑｕｅｕｅ?????内核态?ｊ??Ｉ?％?＂一、＇??系统调用ｊ?Ｊ?／Ｉ?ｆ内核循环Ｗ?Ｉ待发??／?２?调度策略｜送数??（?、?ｊ?｜邀?、々？Ｉ据包??内，核，议伊?／??５－??｜队列??备?处?Ｌ?／?＼?ｄｅｖ－＞ｔｘ－＞ｑｄｉｓｃ－＞ｄｅｑｕｅｕｅ?＊？、Ｌ—：???、ｄｅｖ－＞?ｈａ?ｒｄ＿ｓｔａ?ｒｔ＿ｘｍ?ｉｔ｛｝??、??－？??硬件??图２－２?Ｌｉｎｕｘ数据包发送流程框图??在整个流程完毕之后

?交换机??服务器?服务器?服务器?服务器??图２－５?ｓＦｌｏｗ架构??２－５所示为ｓＦｌｏｗ框架框图。ｓＦｌｏｗ?Ａｇｅｎｔ基于网络端口对流量进行采集，以??一定间隔时间向ｓＦｌｏｗ?Ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ进行ｓＦｌｏｗ报文封装与发送。ｓＦｌｏｗ?Ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ可??以通过设定阈值等方式对收集上来的网络流量进行识别、区分，对需要进行策略??调整的流量可以通过驱动控制器ＡＰＩ接口，触发控制器南向ｏｐｅｎｆｌｏｗ报文更新??交换机内部流表，从而对于特定流量实现了转发策略的改变。??２．３．４?Ｍｉｎｉｎｅｔ??Ｍｉｎｉｎｅｔ是应用于ＤＣＮ研宄领域的一款重要仿真工具。通过其可以轻松搭建??近乎于真实的网络拓扑，并支持众多网络组件。本文内容在研宄及实验过程中借??助其搭建了部分虚拟网络平台。??Ｍｉｎｉｎｅｔ是一款网络仿真平台软件，由斯坦福大学研宄人员开发［４３１。凭借着??其强大的网络功能已经成为了网络研究领域的大规模集群首选测试平台。其支持??众多ＳＤＮ组件（自带ＯＶＳ、控制器，也支撑通过网络外连ＳＤＮ组件）、自定??义网络拓扑以及大规模网络集群

北京邮电大学工程硕士学位论文在典型的多根树型数据中心网络架构（图２－６所示）中，在高峰流量时出现在某些交换出口形成队列拥塞问题。过长的队列不但会导致通信时延，由于交换机内队列存储空间有限，更会导致尾部数据包丢弃的发生。由中心内东西向流量特点，ＴＣＰ的拥塞控制机制会在丢包后进行窗口的指数，这将导致通信质量的下降以及造成带宽利用率的极大浪费。故而解决交的队列问题尤为关键。??Ｆａｓｔｐａｓｓ核心思想与ＳＤＮ有异曲同工之处。通过控制与转发分离，将务器端自由发送数据转化为由Ａｒｂｉｔｅｒ控制各个节点发送时机。具有网络角的Ａｒｂｉｔｅｒ可以更充分的协调网络资源使得整体网络得到很大程度的优４．２?Ｆａｓｔｐａｓｓ?架构??ｆ?＂Ｎ?＾??
【参考文献】

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本文编号：2857292