一种数据中心低开销高精度拥塞控制方法与系统

1.本发明涉及计算机网络技术领域，特别是涉及一种多包ecn编解码的网络系统及数据中心拥塞控制方法。


背景技术：

2.数据中心是一个大规模集中式管理大量软硬件资源的平台，用于计算、存储、传输海量的数据，其规模通常可达上千甚至上万台服务器，通过特定的组织架构，对外形成统一的整体。数据中心的核心功能在于端到端的数据传输，而拥塞控制是确保端到端数据传输的基石。
3.传统的网内拥塞信号如rtt(往返时延)、ecn(显式拥塞通知)等无法提供细粒度的网络感知，如当前链路利用率、队列具体长度等信息。此外，典型的基于rtt和ecn等拥塞信号的拥塞控制算法如timely和dcqcn，是以主动队列驱动的拥塞控制算法，当没有超过设定的阈值时，即使当前交换机队列有较多的队列堆积，timely和dcqcn仍会增大发送窗口，该机制是高吞吐和低时延之间的权衡。此外，基于rtt和ecn的拥塞控制算法会有收敛慢，参数设定复杂等问题。
4.基于int的拥塞控制算法能获取精确的网内拥塞信息，并根据该信息进行高精度的拥塞控制，在高吞吐和低时延间实现了较好的平衡。但int总共会消耗将近10％的带宽用于各种数据和带宽开销，这对数据中心宝贵的带宽资源而言显得不可接受。此外，最重要的是，这些算法大多数要求数据中心所有交换机都支持int，而将数据中心所有的交换机更换为支持int功能的交换机是一个漫长的过程。基于以上两点，基于int做拥塞控制显得不切实际。
5.目前数据中心的拥塞控制算法在朝着更高精度的方向发展，其代价是付出更高的数据和带宽开销。hpcc，powertcp等算法都是以牺牲数据和带宽开销为代价来实现精确的拥塞控制，而基于ecn和rtt等信号的拥塞控制算法虽然有更低的数据和带宽开销，但其拥塞控制的精确性无法得到保障。
6.ecn作为唯一一个被数据中心大规模部署和使用的拥塞控制信号，其标记明确了网内的队列信息，结构简单便于进行多包的编解码。rtt做拥塞信号容易受到链路波动的影响，无法携带较为精确的网内信息，且大量文献说明，ecn相对于rtt是更好的拥塞信号，目前基于ecn的拥塞控制算法由于高吞吐量和低延迟之间的折衷，很难设置完美的ecn阈值。此外，随着网络环境改变，设定的ecn阈值不能充分满足所有情形，常常需要根据网络拓扑、流量类型进行调整。目前有很多针对基于ecn拥塞控制算法的优化方案，但基于ecn算法的一些核心问题仍未得到解决。


技术实现要素：

7.为此，本发明提出了精确ecn编码拥塞控制方法及系统，旨在以最低的数据开销实现高精度的拥塞控制，当发送端精确感知当前网络状态时，可以快速调整到理想的发送速
率，并最终实现高吞吐和低时延。
8.根据本发明的一方面，提供一种数据中心低开销高精度拥塞控制方法，用于交换机端，包括以下步骤：s1、接收数据包并进行网络状态识别和拥塞信息解码，更新流表项；所述流表项用于记录上一跳交换机转发的数据包的ecn标记；s2、对转发的数据包，根据当前交换机队列长度和当前编码状态赋予不同的ecn标记，并进行转发。
9.根据本发明的另一方面，提供一种数据中心低开销高精度拥塞控制系统，包括：状态识别装置，用于实时检测交换机节点是否有队列堆积，以此作为发生拥塞的依据；解码装置，用于解码接收到的数据包的ecn标记以获取拥塞信息；编码装置，用于将网内的拥塞信息通过多包ecn编码传递到发送端，以使发送端据此调整发送窗口。
10.根据本发明的又一方面，提供一种数据中心低开销高精度拥塞控制方法，应用于发送端，包括以下步骤a1～a4：a1.接收来自于接收端发送的ack，并解码相应的ecn标记；a2.根据ecn标记判断当前所处的拥塞状态；a3.查询上一次解码的信息，若本次ecn标记和上次ecn标记属于相同拥塞状态，则进行队列长度或链路利用率的拥塞信息解码，并根据解码得到的拥塞信息计算在外字节数；最后通过在外字节数和带宽时延积之比，动态调整发送端的拥塞窗口大小；a4.若本次ecn标记和上一次ecn标记属于不同状态，上一轮解码的拥塞信息作废，接下来的拥塞信息解码按照最新的拥塞状态进行，并进入到a3。
11.本发明采用多个数据包携带的ecn信息组成联合的编解码进行感知精确的网内拥塞信息，且仅仅只靠ecn信号就实现了精确的拥塞控制。借助ecn的结构简单、易于实现和利用等优点，确保了拥塞控制方法的低开销，借助多ecn联合编码，实现了高精度的拥塞控制，通过确保拥塞控制方法的低开销和高精度，提升了数据中心数据传输的总体性能。
12.此外，本发明的控制方法对几个连续分组的ecn字段进行编码和解码，以提供准确的拥塞信息。方法重构了ecn的标记逻辑，使得网络状态更加细粒度，通过两比特ecn跟踪当前网络状态，能够快速识别当前链路的拥塞状态。另外，通过对多包ecn的编解码实现了拥塞信息的精确传输。本发明不需要对数据包结构进行任何更改，也不需要支持int的交换机。当拥塞发生时，它可以快速收敛到理想的发送速率，并保持接近空的队列，最终在零数据开销下实现了精确的拥塞控制，确保了网络的高吞吐和低时延。
附图说明
13.图1为本发明实施例提供的交换机端拥塞状态识别方法流程图；
14.图2为本发明实施例提供的应用于交换机端的数据中心低开销高精度拥塞控制方法流程图；
15.图3为本发明实施例提供的拥塞信息多ecn解码方法和拥塞窗口调整示意图；
16.图4为本发明实施例提供的基于联合多包ecn编解码的拥塞控制方法示意图。
具体实施方式
17.下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步说明。需要说明的是，以下结合附图和实施例，对本说明书进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的实施例是为了使说明书的技术方法、原理、优点描述地更为明白，仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
18.本发明实施例提供一种基于多包ecn联合编解码的拥塞控制方法，交换机端对数据包进行不同的ecn标记，ecn标记用于交换机队列长度的判断和编码，发送端通过ecn标记识别当前网络状态是处于拥塞状态或是欠吞吐状态，并根据联合多包ecn标记解码出当前精确的网内信息，作为下一次拥塞窗口调整的依据。该方法继承了ecn做拥塞控制信号所带来的简单、有效和低开销等特性，又通过多ecn编解码达到了信息的高精度传递的目的，在无额外开销和损害吞吐的前提下实现了细粒度的拥塞控制，该方法确保了网络系统达到高吞吐和低时延，提升了用户体验。
19.本发明实施例首先提供一种应用于交换机端的数据中心低开销高精度拥塞控制方法，参考图1和图2，该方法包括：接收数据包并进行网络状态识别和拥塞信息解码，更新流表项；所述流表项用于记录上一跳交换机转发的数据包的ecn标记；对转发的数据包，根据当前交换机队列长度和当前编码状态赋予不同的ecn标记，并进行转发。
20.具体而言，本跳交换机通过流表项记录的历史ecn标记实时解码上一跳交换机的拥塞信息。交换机解码的过程：跳交换机根据当前流表项所记录的连续7个ecn标记进行解码，若当前处于新的解码轮次，则会判断当前的拥塞状态，若处于欠吞吐状态则执行链路利用率解码，若处于队列堆积状态则执行队列长度解码；当拥塞状态未发生改变时，记录当前ack的ecn标记，记录到对应的位图中，若连续7个数据包被记录下来，则将执行一次数据解码，从而解码出精确的网内拥塞控制信息。
21.在数据包经过本跳交换机时，交换机根据是否有队列堆积将拥塞状态划分为欠吞吐状态和队列堆积状态；对于欠吞吐状态，将数据包的ecn标记编码为ecn01或ecn10；对于队列堆积状态，将数据包的ecn标记编码为ecn01或ecn11。交换机每次转发数据包时，记录当前队列长度信息和出端口链路利用率信息；若当前轮次编码完，则按照流表项中最拥塞信息进行下一轮次的拥塞信息编码；并按照当前编码的位次和当前所处的拥塞状态赋予数据包最终的ecn标记进行转发。
22.此外，每一轮次编码结束后，交换机在流表项中记录下一轮的应编码的队列长度或链路利用率数据；若交换机判断当前有队列堆积，则当前交换机的编码为ecn01或ecn11，根据本轮次队列长度应编码的位次的数值为0或1，选择ecn01或ecn11编码；若交换机判断当前无队列堆积，则当前交换机的编码为ecn01或ecn10，根据本轮次链路利用率应编码的位次的数值为0或1，选择ecn01或ecn10编码。
23.本发明实施例中，交换机对转发的数据包根据当前交换机队列长度的大小和当前编码状态赋予不同的ecn标记，交换机重构了ecn编码逻辑，ecn00作为保留；ecn01用于0的编码；ecn10用于1的编码，且表示当前队列长度为空；ecn11用于1的编码，且表示当前队列长度非空。
24.在优选的实施例中，本发明提供了优化编码方法，将每轮次编码的误差记录下来，纳入到下一轮编码中。交换机流表记录队列长度为7的环形队列，每个数据包出队时会记录队列长度和链路利用率信息，在下一轮的拥塞编码中，以最拥塞信息作为编码依据。
25.实施例一
26.结合图1，是本发明实施例提供的一种拥塞状态识别方法，应用于交换机端，包括：
27.s11、数据包通过交换机流量管理进入到相应的转发队列。
28.s12、交换机队列获取当前队列长度信息。
29.s13、根据当前队列的队列长度判断当前拥塞状态，若队列长度为空，则为欠吞吐状态，ecn标记为01或10。若队列长度非空，则为队列堆积状态，ecn标记为01或11。其中ecn01用于拥塞状态信息的编码，其拥塞状态和上一个非ecn01的状态相同。此处的拥塞状态只有ecn10和ecn11，分别代表欠吞吐的空队列状态和队列堆积状态。
30.需要说明的是，发送端收到带有ecn标记的ack帧时，会判断当前的拥塞状态为ecn10或ecn11，对于收到ecn01的帧，发送端会将其状态归为上一次非ecn01帧的拥塞状态，拥塞状态作为最终增大或减小拥塞窗口的依据，若拥塞状态为ecn10，则会增大发送窗口；若拥塞状态为ecn11，则会减小发送窗口。最终增大拥塞窗口或减小拥塞窗口的幅度还需根据解码出的拥塞信息进行最终的精确调整。
31.s14、交换机端判断完毕当前拥塞状态，根据流id找到对应的流表项，更新该流表项中最新的拥塞状态信息，作为后续观察是否发生拥塞状态切换的标志。
32.实施例二
33.结合图2，是实施例提供的应用于交换机端的数据中心低开销高精度拥塞控制方法流程图，包括：
34.s21、交换机输入端口接收上游设备发送的数据包。上游设备例如是发送端(数据中心服务器)或上一跳交换机。
35.s22、交换机识别该数据包所携带的ecn信息，判断ecn的拥塞状态，并更新相关信息到流表中，此时执行解码过程，解码出上一跳设备的拥塞信息。
36.s23、根据交换机的转发逻辑将数据包转到指定队列，在该数据包将要被转发时，获取此时交换机的队列长度和当前的链路利用率，将这些信息记录到相应流表项中，供后续拥塞编码使用。
37.s24、根据拥塞状态识别，当链路处于欠吞吐状态时，判断当前轮次是否完成一次编码，一轮次的编码设置的包个数为7，若当前编码轮次还未结束，则按照本轮次编码的链路利用率数值和当前编码的位次，依次将后续该流的数据包设置为ecn01或ecn10，并更新相应的流表项，同时将位次后移。若当前位次超过7，也即编码轮次结束，则重置当前编码位次，同时按照当前记录的最大链路利用率进行下一轮次的编码。需要注意的是，链路利用率是通过记录两包转发时，端口已经转发的数据量比该段时间所计算而来。
38.s25、根据拥塞状态识别，当链路处于队列堆积状态时，判断当前轮次是否完成一次编码，一轮次的编码设置的包个数为7，若当前编码轮次还未结束，则按照本轮次编码的链路利用率数值和当前编码的位次，依次将后续该流的数据包设置为ecn01或ecn11，并更新相应的流表项，同时将位次后移。若当前位次超过7，也即编码轮次结束，则重置当前编码位次，同时按照当前记录的最大链路利用率进行下一轮次的编码。
39.s26、判断当前即将转发的数据包的拥塞状态和该流上一数据包转发时的拥塞状态是否相同，若是，则按照拥塞信息编码过程正常进行；否则，立刻停止本轮次的拥塞信息编码，同时切换到最新的拥塞状态，重置流表项的拥塞状态、位次等信息。
40.s27、进入最终的拥塞信息编码，入端口的拥塞程度信息和本跳交换机的拥塞程度信息做对比，具体地，队列堆积的拥塞状态相对于欠吞吐状态更拥塞，也即为ecn11》ecn10。此外，处于同一拥塞状态时，按照拥塞信息进行对比，以队列长度为例，解码出的队列长度更大的拥塞程度更高。综上，本跳交换机最终的拥塞信息编码按照本跳和上一跳最拥塞的
编码进行，若上一跳的拥塞程度更大，则以上一跳的拥塞编码为准，否则，以本跳的拥塞编码为准。
41.s28、进行最终的ecn标记后，交换机转发该数据包到下游设备。
42.实施例三
43.结合图3，是本发明拥塞信息多ecn解码方法，应用于发送端，具体包括：
44.s31、发送端收到ack帧。
45.s32、发送端解码ack帧中的ecn字段，判断拥塞状态，若拥塞状态相同则进行后续解码和速率调整，若拥塞状态不同，则重置相关的流信息，以最新的拥塞状态进行解码。发送端解码ack帧中的ecn字段的解码方法可采用前述交换机端的解码方法，在此不再赘述。
46.s33、若当前拥塞状态为欠吞吐状态，则根据已记录的流信息的解码和当前位次更新解码信息，当一轮次7个包解码完成时，完成本轮次的拥塞信息解码，得到链路利用率为u。
47.s34、若当前拥塞状态为队列堆积状态，则根据已记录的流信息的解码和当前位次更新解码信息，当一轮次7个包解码完成时，完成本轮次的拥塞信息解码，得到队列长度信息qlen。
48.s35、计算此时的带宽时延积为b*rtt，其中b为链路带宽，rtt为基础rtt。计算在外字节数，当拥塞状态为欠吞吐状态时，在外字节数为r*rtt，其中r为瓶颈链路端口的转发速率，此时拥塞程度为c＝(r*rtt)/(b*rtt)＝r/b＝u。当拥塞状态为队列堆积时，在外字节数为b*rtt+qlen，此时的拥塞程度为c＝(b*rtt+qlen)/(b*rtt)＝1+qlen/(b*rtt)。
49.s36、发送端根据s35计算的拥塞程度结合拥塞状态进行最终的拥塞窗口调整，具体地，拥塞窗口更新为cwnd’＝cwnd/c。cwnd代表拥塞窗口。
50.实施例四
51.结合图4，是本发明基于联合多包ecn编解码的拥塞控制方法。数据包由发送端发送至网络中，经过各跳交换机，交换机经过上一跳交换机解码解码上跳的拥塞信息，通过本跳交换机状态识别更新拥塞状态，再经过本跳交换机应进行的ecn编码为最终的ecn编码做准备，经过最终的拥塞比较器，以最拥塞节点作为最终ecn编码的依据。最后将数据包转发至下游设备。接收端收到数据包时，复制该数据包的ecn信息，并生成ack转发至发送端。发送端收到ack，解析ack的ecn信息，判断当前网络的拥塞状态，对于不同的拥塞状态进入不同的拥塞编码阶段，进行拥塞信息的解码，量化网内拥塞程度，最终调整拥塞窗口。与数据中心典型的拥塞控制算法相比，本发明能在零开销条件下高精度地拥塞控制；并解决了目前的拥塞控制主动排队从而导致高吞吐和低时延受损的问题，以及拥塞控制收敛性慢、拥塞控制算法参数过多、拥塞控制高精度的网内信息往往需要消耗较大的数据和带宽资源的问题、拥塞控制反馈不及时的问题等。
52.此外，本发明实施例还提供一种数据中心低开销高精度拥塞控制系统，包括：状态识别装置，用于实时检测交换机节点是否有队列堆积，以此作为发生拥塞的依据；解码装置，用于解码接收到的数据包的ecn标记以获取拥塞信息；编码装置，用于将网内的拥塞信息通过多包ecn编码传递到发送端，以使发送端据此调整发送窗口；优化器装置，其用于提高编码的精确性，将上一轮编码还未编码完成的数据纳入到后续编码中，采用最拥塞状态作为编码的依据。应当理解的是，本实施例中状态识别装置、解码装置、编码装置、优化器装
置为运行于交换机端的虚拟装置。
53.本发明实施例另还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时能实现前述实施例的数据中心低开销高精度拥塞控制方法的步骤。基于这样的理解，本发明的拥塞控制方法可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是cd-rom，u盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本技术各个实施场景的方法。
54.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种数据中心低开销高精度拥塞控制方法，用于交换机端，其特征在于，包括以下步骤：s1、接收数据包并进行网络状态识别和拥塞信息解码，更新流表项；所述流表项用于记录上一跳交换机转发的数据包的ecn标记；s2、对转发的数据包，根据当前交换机队列长度和当前编码状态赋予不同的ecn标记，并进行转发。2.如权利要求1所述的数据中心低开销高精度拥塞控制方法，其特征在于，步骤s1中，本跳交换机通过流表项记录的历史ecn标记实时解码上一跳交换机的拥塞信息。3.如权利要求2所述的数据中心低开销高精度拥塞控制方法，其特征在于，步骤s1中，本跳交换机根据当前流表项所记录的连续7个ecn标记进行解码，若当前处于新的解码轮次，则会判断当前的拥塞状态，若处于欠吞吐状态则执行链路利用率解码，若处于队列堆积状态则执行队列长度解码；当拥塞状态未发生改变时，记录当前ack的ecn标记，记录到对应的位图中，若连续7个数据包被记录下来，则将执行一次数据解码，从而解码出精确的网内拥塞控制信息。4.如权利要求1所述的数据中心低开销高精度拥塞控制方法，其特征在于，步骤s2还包括：将解码得到的上一跳交换机的拥塞信息与本跳交换机的拥塞信息进行对比，若本跳交换机更拥塞，则以本跳交换机的ecn标记为准，否则按照上一跳交换机的ecn标记为准。5.如权利要求1所述的数据中心低开销高精度拥塞控制方法，其特征在于，步骤s2还包括：在数据包经过本跳交换机时，根据是否有队列堆积将拥塞状态划分为欠吞吐状态和队列堆积状态；对于欠吞吐状态，将数据包的ecn标记编码为ecn01或ecn10；对于队列堆积状态，将数据包的ecn标记编码为ecn01或ecn11。6.如权利要求1所述的数据中心低开销高精度拥塞控制方法，其特征在于，步骤s2还包括：交换机每次转发数据包时，记录当前队列长度信息和出端口链路利用率信息；若当前轮次编码完，则按照流表项中最拥塞信息进行下一轮次的拥塞信息编码；并按照当前编码的位次和当前所处的拥塞状态赋予数据包最终的ecn标记进行转发。7.如权利要求1所述的数据中心低开销高精度拥塞控制方法，其特征在于，还包括：每一轮次编码结束后，交换机在流表项中记录下一轮的应编码的队列长度或链路利用率数据；若交换机判断当前有队列堆积，则当前交换机的编码为ecn01或ecn11，根据本轮次队列长度应编码的位次的数值为0或1，选择ecn01或ecn11编码；若交换机判断当前无队列堆积，则当前交换机的编码为ecn01或ecn10，根据本轮次链路利用率应编码的位次的数值为0或1，选择ecn01或ecn10编码。8.如权利要求1所述的数据中心低开销高精度拥塞控制方法，其特征在于，还包括：交换机将上一轮次未编码完的队列长度数据或链路利用率数据保留到下一轮拥塞信息编码过程中。9.如权利要求1所述的数据中心低开销高精度拥塞控制方法，其特征在于，还包括：交换机流表项以本轮次最拥塞的信息作为拥塞信息编码的依据。10.一种数据中心低开销高精度拥塞控制系统，其特征在于，包括：状态识别装置，用于实时检测交换机节点是否有队列堆积，以此作为发生拥塞的依据；解码装置，用于解码接收到的数据包的ecn标记以获取拥塞信息；编码装置，用于将网内的拥塞信息通过多包ecn编
码传递到发送端，以使发送端据此调整发送窗口。11.如权利要求10所述的数据中心低开销高精度拥塞控制系统，其特征在于，还包括：优化器装置，其用于提高编码的精确性，将上一轮编码还未编码完成的数据纳入到后续编码中，采用最拥塞状态作为编码的依据。12.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时能实现权利要求1-10任一项所述的数据中心低开销高精度拥塞控制方法的步骤。13.一种数据中心低开销高精度拥塞控制方法，应用于发送端，其特征在于，包括以下步骤a1～a4：a1.接收来自于接收端发送的ack，并解码相应的ecn标记；a2.根据ecn标记判断当前所处的拥塞状态；a3.查询上一次解码的信息，若本次ecn标记和上次ecn标记属于相同拥塞状态，则进行队列长度或链路利用率的拥塞信息解码，并根据解码得到的拥塞信息计算在外字节数；最后通过在外字节数和带宽时延积之比，动态调整发送端的拥塞窗口大小；a4.若本次ecn标记和上一次ecn标记属于不同状态，上一轮解码的拥塞信息作废，接下来的拥塞信息解码按照最新的拥塞状态进行，并进入到a3。14.如权利要求13所述的数据中心低开销高精度拥塞控制方法，其特征在于，还包括：发送端收到ecn01标记时，将当前拥塞状态等同于上一次非ecn01的拥塞状态；收到ecn10标记时，识别当前拥塞状态为欠吞吐状态；收到ecn11标记时，识别当前拥塞状态为队列堆积状态；在处于欠吞吐状态时，发送端增大发送窗口；在处于队列堆积状态时，发送端减小发送窗口。15.如权利要求13所述的数据中心低开销高精度拥塞控制方法，其特征在于，步骤a1中发送端解码ecn标记的过程包括：根据当前流表项所记录的连续7个ecn标记进行解码，若当前处于新的解码轮次，则会判断当前的拥塞状态，若处于欠吞吐状态则执行链路利用率解码，若处于队列堆积状态则执行队列长度解码；当拥塞状态未发生改变时，记录当前ack的ecn标记，记录到对应的位图中，若连续7个数据包被记录下来，则将执行一次数据解码，从而解码出精确的网内拥塞控制信息。

技术总结
本发明公开了一种数据中心低开销高精度拥塞控制方法与系统，用于交换机端，方法包括以下步骤：S1、接收数据包并进行网络状态识别和拥塞信息解码，更新流表项；所述流表项用于记录上一跳交换机转发的数据包的ECN标记；S2、对转发的数据包，根据当前交换机队列长度和当前编码状态赋予不同的ECN标记，并进行转发。发送端通过ECN标记识别当前网络状态是处于拥塞状态或是欠吞吐状态，并根据联合多包ECN标记解码出当前精确的网内信息，作为下一次拥塞窗口调整的依据。口调整的依据。口调整的依据。


技术研发人员：吴义 江勇
受保护的技术使用者：清华大学深圳国际研究生院
技术研发日：2023.05.09
技术公布日：2023/8/6