数据中心负载均衡和流量控制技术研究

发布时间：2017-04-23 21:12

  本文关键词：数据中心负载均衡和流量控制技术研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,云计算作为一种新型的计算模型,正逐渐改变着整个IT领域。越来越多的互联网企业,如Google, Microsoft等开始在世界各地部署大型的数据中心用以支撑其遍布全球的云计算服务。作为整个云环境最重要的硬件平台,数据中心承载了丰富多样的应用,如网页搜索,即时消息,科学计算和视频传输等。这些复杂的应用为数据中心网络的传输技术提出了新的要求。由于数据中心的高效运行直接关系到用户的体验以及服务提供商的收益,如何提高其网络的传输性能成为了云计算研究领域关注的热点。目前,大型的数据中心多依赖于负载均衡和流量控制两种技术来提升其网络性能。其中负载均衡技术关注于带宽敏感的数据流,该技术通过将长数据流均匀的分布到不同的传输路径上,来保证网络中不同路径利用率的均衡。负载均衡技术充分考虑了数据中心的网络拓扑的特性,其基于数据流的传输状态,动态地在多条路径上进行负载调度,从而提高长数据流的吞吐量。相比之下,流量控制技术关注于时延敏感的数据流。该技术根据当前传输路径上的拥塞程度来动态地调控流发送速率或者流发送的优先级。其旨在降低时延敏感的数据流在网络中经历的排队延迟,并减少其丢包率,从而达到加速短数据流传输的目的。上述两种传统的方案都能在一定程度上改善数据中心的网络传输。然而,这两种方案均不可避免地存在相应的缺陷。一方面,已有的负载均衡技术不能同时满足快速响应、细粒度、高度鲁棒和可快速部署的要求。这决定他们很难应用到生产环境的数据中心中。另一方面,当前的数据中心传输技术将流量控制和负载均衡完全分离,这导致了两种机制之间很难相互配合,从而影响了网络性能的进一步提升。上述这些缺点促使我们在本文中设计新型的数据中心传输协议来获得更好的网络性能。为了实现可部署的负载均衡技术,我们在本文中提出了一种分布式低负载的协议P athVisor。Path Visor在主机栈中利用TCP层的反馈实现传输状态的监听。这使其可以实时地感知可能出现的网络拥塞和路径异常现象。为实现细粒度的负载调度,Path Visor引入了基于flier的调度策略和反向负载均衡技术。这两项技术互相结合使得Path Visor能够更加高效地运转。我们将Path Visor整套协议完全实现在主机端,其不需任何定制的网络设备支持,因此可以极大地方便在大型数据中心中的部署。同时,在PathVisor的设计思想之上,我们提出了一种将负载均衡和流量控制相结合的传输方案OmniFlow。相比于已有的传输方案,OmniFlow有两大优势：首先,其可以同时并且精确地检测任意两个主机之间所有路径的队列延迟。这使得OmniFlow能够获取更加详细的路径拥塞信息,并获得对传输状态更好地控制。其次,OmniFlow能够适应性地集成负载均衡和流量控制模块并在他们之间共享相同的传输信息。基于不同的网络条件,OmniFlow可以动态地调度数据流来充分利用对剖带宽,或者主动地调整流发送速率来控制排队时延。因此,OmniFlow能够在保证长数据流吞吐量的前提下优化短数据流的传输时延。
【关键词】：数据中心网络 负载均衡 流量控制
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP308
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第一章 绪论13-21
• 1.1 研究背景13-14
• 1.2 数据中心网络传输技术14-16
• 1.3 数据中心传输技术的现状与挑战16-18
• 1.4 研究内容及主要工作18-19
• 1.5 本文组织结构19-21
• 第二章 相关工作21-29
• 2.1 数据中心网络背景21-23
• 2.1.1 网络结构21-22
• 2.1.2 流量模式22-23
• 2.2 数据中心负载均衡技术23-26
• 2.2.1 集中式的负载均衡技术23-24
• 2.2.2 基于主机端的负载均衡技术24-25
• 2.2.3 基于路由器的负载均衡技术25
• 2.2.4 数据中心负载均衡技术总结25-26
• 2.3 数据中心流量控制技术26-28
• 2.3.1 基于ECN的流量控制机制26-27
• 2.3.2 基于在网反馈的流量控制协议27-28
• 2.3.3 基于延迟测量的流量控制机制28
• 2.4 本章小结28-29
• 第三章 基于带宽测量的负载均衡方案一29-43
• 3.1 PathVisor简介29-30
• 3.2 基于带宽测量的拥塞评估机制30-33
• 3.2.1 基于flier的调度30-31
• 3.2.2 路径拥塞程度评估31-32
• 3.2.3 链路错误感知32-33
• 3.3 双向负载均衡33-36
• 3.3.1 基于层次地址的源路由33-34
• 3.3.2 针对flier的路由策略34-35
• 3.3.3 针对反向ACK的路由策略35-36
• 3.4 实验结果与分析36-41
• 3.4.1 负载均衡效率37-39
• 3.4.2 路径异常处理39-40
• 3.4.3 拥塞避免策略验证40-41
• 3.5 本章小结41-43
• 第四章 流量控制与负载均衡相结合的传输技术43-59
• 4.1 OmniFlow简介43-45
• 4.1.1 设计动机43-44
• 4.1.2 OmniFlow整体架构44-45
• 4.2 队列监控机制45-48
• 4.2.1 多路径的队列测量机制45-48
• 4.2.2 基于网络状态的决策机制48
• 4.3 拥塞感知的负载均衡机制48-49
• 4.4 基于队列感知的流量控制机制49-51
• 4.5 实验结果与分析51-57
• 4.5.1 实验方法和实验设置51-52
• 4.5.2 基本结果52-55
• 4.5.3 Incast模式下的吞吐量55-56
• 4.5.4 参数选择和负载评估56-57
• 4.6 本章小结57-59
• 第五章 总结与展望59-61
• 5.1 本文总结59-60
• 5.2 前景展望60-61
• 参考文献61-67
• 致谢67-69
• 简历与科研成果69-70

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