数据中心网络中传输协议的性能分析与增强机制

发布时间：2017-04-28 20:14

  本文关键词：数据中心网络中传输协议的性能分析与增强机制，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：数据中心的迅速发展让网络中多元化业务成为了现实。然而,业务形态的不同使得数据中心网络的压力越来越大,一些特殊的业务要求和传统的网络协议之间产生矛盾。在数据中心多对一的传输模式下,短流的高并发性往往使网络中的拥塞急剧恶化,导致TCP协议不能正常工作,引发吞吐量的坍塌,该现象称为TCP Incast问题。由于其恶劣影响,TCP Incast问题被工业界和学术界广泛关注和研究。在众多改善TCP Incast问题的方案中,DCTCP是典型代表,相比传统TCP协议,DCTCP能将吞吐量的坍塌点延迟。此外,DCTCP还能够在吞吐量和延时之间做很好的权衡,在其他的性能指标中也有优良的表现。然而DCTCP存在严重的自激振荡问题,队列的不稳定使其延时抖动剧烈,性能受到影响。论文针对以上两个问题进行了深入研究,成果如下:(1)TCP Incast问题的综合分析:针对TCP Incast问题建立了一个解释性的模型,综合考虑了所有系统参数和机制变量对于TCP Incast问题的影响,不再局限于特定的环境设定或者机制选择。基于模型的分析发现,窗口的分布和吞吐量紧紧相关,而不同机制、算法、协议对窗口的分布影响不同。仿真和实验证实,理论分析能较贴合地预测和解释实验现象,例如参数调节、改进机制、新的协议设计对缓解TCP Incast问题产生的影响,并得到了一些一般性结论,主要包括吞吐量坍塌点的流数与缓存大小近似成正比例、平均窗口和窗口标准差越小吞吐量坍塌点越延迟等。此外,理论分析的结果也揭示出多数TCP Incast问题的解决方案可以改善吞吐量坍塌现象,但不能彻底避免。(2)缓解DCTCP引起的队列振荡:实验发现DCTCP的队列抖动现象严重,理论分析发现,振荡的根本原因是DCTCP的非线性结构,在交换机处的单阈值标记策略使得拥塞通告过晚地传达到发送端。基于此理解,提出了一种增强机制DT-DCTCP,以两个阈值分担单阈值标记策略的压力,尽早地将拥塞通告传递到发送端。通过引入描述方程和稳定性判据的相关方法,分析了DCTCP和DTDCTCP的稳定性,并从理论上证明后者更加稳定。DT-DCTCP能保持更小的平均队列长度,且队列长度对于增加的并发流数低敏感。实验证实,DT-DCTCP能够比DCTCP延后TCP Incast问题吞吐量的坍塌点,而且在完成时间的实验中,也能减小尾部延时。
【关键词】：TCP Incast 解释性模型 DT-DCTCP 描述函数
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP308
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 引言8-15
• 1.1 研究背景8-10
• 1.1.1 数据中心Incast问题及业务特点8-10
• 1.1.2 数据中心TCP协议10
• 1.2 研究问题10-12
• 1.2.1 TCP Incast问题的综合分析10-11
• 1.2.2 DCTCP的队列振荡问题11-12
• 1.3 研究现状12-13
• 1.4 研究内容与成果13-14
• 1.5 论文框架14-15
• 第2章 相关工作15-21
• 2.1 TCP Incast问题15-18
• 2.1.1 理论研究15-16
• 2.1.2 解决方案16-18
• 2.2 数据中心TCP协议18-20
• 2.2.1 DCTCP18-19
• 2.2.2 流体模型19-20
• 2.3 本章小结20-21
• 第3章 TCP Incast问题的综合分析21-42
• 3.1 概述21-22
• 3.2 实验环境与基本假设22-24
• 3.2.1 实验环境22-23
• 3.2.2 基本假设23-24
• 3.3 解释性模型24-33
• 3.3.1 吞吐量计算25-27
• 3.3.2 窗口分布27-29
• 3.3.3 超时重传概率29-31
• 3.3.4 理论分析31-33
• 3.4 解决方案分析33-41
• 3.4.1 调整系统参数33-35
• 3.4.2 设计增强机制35-36
• 3.4.3 替换基于丢包的传输协议36-39
• 3.4.4 设计新的传输协议39-41
• 3.5 本章小结41-42
• 第4章 缓解队列振荡：DCTCP的分析与改进42-63
• 4.1 概述42-43
• 4.2 实验观察与分析43-45
• 4.3 描述函数方法和稳定性判据45-48
• 4.3.1 描述函数45-46
• 4.3.2 稳定性判据46-48
• 4.4 理论分析48-55
• 4.4.1 流体模型的线性化48-50
• 4.4.2 DCTCP的稳定性分析50-52
• 4.4.3 DT-DCTCP的稳定性分析52-54
• 4.4.4 DT-DCTCP和DCTCP的稳定性比较54-55
• 4.5 仿真及实验论证55-61
• 4.5.1 仿真性能验证56-58
• 4.5.2 实验性能验证58-61
• 4.6 本章小结61-63
• 第5章 总结与展望63-67
• 5.1 论文总结63-64
• 5.2 研究展望64-67
• 参考文献67-70
• 致谢70-72
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果72

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