[发明专利]一种数据中心网络中基于并发度感知的传输控制方法

说明书

本发明公开了一种数据中心网络中基于并发度感知的传输控制方法，在数据传输过程中，发送端根据当前的拥塞窗口和并发度来调整相邻分组的发送时间间隔从而控制发送速率，避免大量分组同时到达交换机而引发丢包和超时。本发明可以有效的调整发送速率，避免TCP连接出现频繁超时，从而减少了流完成时间并且提高了网络吞吐率。

技术领域

本发明涉及一种数据中心网络中基于并发度感知的传输控制方法。

背景技术

近年来，随着云计算技术的迅猛发展，数据中心已经成为了关键基础设施，不仅承载大量的应用程序并且提供各种各样的用户服务，如推荐系统、网络搜索和MapReduce。为了给用户提供更好的服务，部署在数据中心的各类应用通常需要协调多台服务器共同完成任务。为此，不同服务器之间需要进行通信。由于各服务器之间的通信必须通过网络来实现，而网络问题又是数据中心的瓶颈问题，因此，数据中心中的网络(即数据中心网络)成为了研究的热点。

与传统网络相比，数据中心网络具有很多独特的属性。一方面，由于数据中心的服务器和交换机等设备通常部署在一个较小的物理区域，因此往返传输延时(Round TripTime,RTT)很低，通常只有几百微秒。另一方面，考虑到成本问题，数据中心网络中的交换机并非定制，它所具有的缓存容量通常较小。此外，在数据中心网络具有超高带宽，且一对多或者多对多的通信模式广泛存在于并行编程系统(如Dryad和CIEL等)、分布式文件存储系统和大型排序系统等。这些独特的属性使得数据中心内部流量急剧增长并呈现出与传统互联网不同的新特性。

大量的研究表明，数据中心网络中通常采用TCP协议传输数据(占总流量的95％)，以确保给用户提供可靠的服务。尽管TCP协议是一个非常成熟的通信技术，但是TCP协议是针对低带宽和高延迟的广域网设计。上述数据中心网络特有的属性以及特殊的业务需求使得在广域网中运行良好的TCP协议遇到了很多问题，其中TCP Incast就是最重要的问题之一。

针对TCP Incast问题，许多研究者深入分析了TCP Incast为何会严重降低网络吞吐率的原因。一方面，高扇入的并发度极易导致交换机出现严重的丢包，使得TCP协议中的快重传机制失效，从而导致超时重传。另一方面，在数据中心网络中，由于RTT通常是微妙级的，而最小超时重传时间(MinimumRetransmission TimeOut,RTO_min)是毫秒级(默认最小值为200ms)的。因此，一旦发生超时，链路会在相当一段时间(约为几百个RTT)内处于空闲状态，严重降低网络性能。为了解决TCP Incast问题，近年来，学术界提出了许多方案解决TCPIncast问题。这些方案大致可分为以下几大类：

1.调整系统参数。Vijay Vasudevan等人将最小超时重传时间(默认为200ms)修改成200us，避免超时导致链路长时间空闲。但该方法容易导致大量的假超时和假重传。一些研究者通过修改分组的大小解决TCP Incast问题，但这样增加了分组头的传输开销，降低了网络传输的有效吞吐率。

2.设计新的传输协议。DCTCP根据被ECN标记包的比例调整拥塞窗口。DCTCP具有较好的突发容忍性，实现很好的网络性能。在DCTCP的基础上，研究者们还提出了D²TCP和L²DCT等协议。但是这些协议的主要缺陷是无法很好的处理高并发的场景。ICTCP根据网络带宽设置接收窗口，从而实现拥塞控制。然而，精确地估计当前可用带宽非常具有挑战性。

3.跨层协议设计。PLATO采用包标记方案维持ACK-clocking从而避免超时。TFC利用令牌、可用带宽和有效流的数量计算出每条流的拥塞窗口，从而实现拥塞控制。然而这些方法需要修改交换机，不利于实际环境的部署。此外，一些研究者采用编码的方案来解决TCP Incast问题，如LTTP和TCP-ACC。但是，基于编码的方案不可避免的在网络中传输大量的冗余包，降低带宽的利用率。