一种快速简单的量化拥塞通告方法
【专利摘要】本专利公开了一种快速简单的量化拥塞通告方法。本方法由拥塞点和响应点协同完成。响应点(即源端)将发送速率初始化为链路速率，根据其所接收到的反馈包类型决定是否降速、重置发送速率，或者在没有收到反馈包时采用折半搜索算法调整发送速率。拥塞点(即交换机)初始化变量congested来标识交换机是否经历过拥塞，并根据队列长度、以及队列长度在一个采样周期内的变化量，采样生成反馈包发送给响应点。本专利简化并改进了IEEE 802.1Qau工作组制定的链路层拥塞控制标准协议量化拥塞通告(QCN)，能够快速地获取空余的带宽，尤其适用于数据中心网络环境。
【专利说明】
一种快速简单的量化拥塞通告方法
技术领域
[0001] 本发明涉及链路层拥塞控制算法，特别涉及一种快速简单的量化拥塞通告方法。
【背景技术】
[0002] 现在的数据中心中部署了许多不同的在线应用服务提供给用户使用，比如搜索服 务、社交网络服务、游戏服务、文件传输与存储服务等等。这些不同的服务产生的流量类型 并不相同，这些不同的流量是由不同的网络承载传输的。比如TCP/IP流量运行于Ethernet 中，块存储网络流量运行于光纤通道中，高性能计算流量运行Infiniband网络中。这些不同 的组网技术使得数据中心的管理变得复杂，并且增加了数据中心的运营成本。为了处理这 些问题，IEEE 802.1数据中心桥接工作组设计了数据中心以太网（Data Center Ethernet， DCE)，又叫增强型以太网（Enhanced Ethernet)。
[0003] DCE对传统的Ethernet的一个显著改进在于引进了链路层拥塞控制机制，从而为 Ethernet提供了低延迟和无丢包的特性。其中，IEEE 802. IQbb制定的基于优先级流控机制 (PFC)可以针对网络中的瞬时拥塞进行控制。它会发送Pause帧到上游设备让其停止发送数 据包，从而防止数据包淹没下游的设备缓存。而IEEE 802. IQau制定的量化拥塞通知(QCN) 被用于控制网络中的长时拥塞。QCN的主要思想是将交换机的缓存队列控制在一个较小目 标值附近，既提供了低延迟，又降低缓存溢出的概率，同时保证了高的链路利用率。
[0004] 虽然QCN亦即在2010年被批准为链路层拥塞控制的标准机制，但是我们发现QCN算 法存在可以进一步改进的地方。首先是QCN的折半搜索算法源自于BIC-TCP，然而QCN的拥塞 探测方法与BIC-TCP不同，这使得QCN有时无法折半搜索算法找到合适的发送速率。因此，除 了折半搜索之外，QCN额外添加了主动增长、超主动增长等补充机制，变得非常复杂。其次， QCN面对未知的网络环境时的采用了不同的速率设置方式。在初始发送数据时，QCN直接以 链路速率发送数据;而当网络环境变化时，QCN以当前发送速率为起点，逐步地探索带宽。如 果网络环境变化时当前发送速率很小，QCN可能会需要很长的时间来探测带宽，使得链路空 闲的时间较长。
【发明内容】
[0005] 针对QCN机制的缺陷，本发明设计了一种快速简单的量化拥塞通告算法(FSQCN)。
[0006] 为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是一种快速简单的量化拥塞通告方 法，包括拥塞点操作和响应点操作：
[0007] 拥塞点操作包含以下步骤：
[0008] 步骤一:初始化，并以预定频率采样通过的数据帧，然后执行步骤二；
[0009]步骤二:根据拥塞信息来选择发送拥塞反馈包或者速率重置包；当发送速率重置 包时，在发送的同时判断是否超时，如果是，则执行步骤三，否则持续发送速率重置包； [0010]步骤三:恢复初始状态，停止发送速率重置包，执行步骤一；
[0011]响应点操作包含以下步骤：
[0012] 步骤I:初始化发送速率为链路速率；
[0013] 步骤2:判断是否收到拥塞点发回的拥塞反馈包，如果是，则执行减速操作，然后执 行步骤4;否则，执行步骤3;
[0014] 步骤3:判断是否收到拥塞点发回的速率重置包，如果是，则根据是否恢复了目标 速率来决定是否将当前速率重置为链路速率，执行步骤1;否则，执行步骤4;
[0015]步骤4:使用折半搜索算法周期性增加发送速率。
[0016] 所述的方法，所述拥塞点的操作步骤一中，所述的初始化为将拥塞点处的拥塞标 志位congested初始化为0,即非拥塞状态。
[0017] 所述的方法，所述拥塞点的操作步骤二中，拥塞信息通过以下步骤得到:拥塞点每 发送150KB数据则计算一次反映网络拥塞程度的量F b及队列变化量Qdelta，并根据结果决定 是否发送拥塞反馈包;根据Fb、 C〇ngeSted及当前队列长度qt来决定是否发送速率重置包，表 示如下： 「如果& < .0, Qctezia .0,发送:拥塞反馈包，并设S '如'=/，
[0018] j L.如果F6 2 0,办幺2, conge对发送速率重置包
[0019]其中Fb = -(Q〇ff+w · (^:^)，0過=91；-9()即队列长度相对于9()的偏移量，(^:^ = 91；-q〇id是队列长度在米样周期内的变化量，q〇id为上一次米样时的队列长度，qo为目标队列长 度，w为常数。
[0020] 所述的方法，所述拥塞点的操作步骤三中：拥塞点连续发送速率重置包，直至满足 预设的超时条件后，将congested位置0,并停止发送速率重置包。
[0021] 所述的方法，所述响应点的操作步骤2中：响应点在收到拥塞反馈包后，将当前速 率H呆存为目标速率u，目标速率u加上一个常数后变为新的目标速率u T，再采用如下乘性减 的方式进行减速：
[0022] r-r (I-GdFb)
[0023] 其中Gd为常数。
[0024] 所述的方法，所述响应点的操作步骤3中，响应点在收到拥塞点发送的速率重置包 时，如果当前发送速率恢复到目标速率，亦即r = uT，则将当前发送速率置为链路速率;如果 没有恢复到目标速率，则不进行任何操作。
[0025] 所述的方法，所述响应点的操作步骤4中，响应点按如下折半搜索算法周期性的调 整发送速率：
[0026]
[0027 ]其中β为常数，周期为发送150KB的数据的时间或15ms，如果r>u，则直接令r = UT。
[0028] 所述的方法，所述的拥塞点为交换机，响应点为能调节发送速率的源端。
[0029] 本发明的技术效果在于，本发明通过改进拥塞探测条件，确保折半搜索算法能够 找到恰当的发送速率，从而无需使用QCN中那些复杂的补充机制;并且在面临网络环境未知 状态时，显式的使用反馈信息指导源端重置发送速率，从而避免带宽的浪费，适用于流量突 发的数据中心网络环境。
[0030]下面结合附图对本发明作进一步的说明。
【附图说明】
[0031]图1为移除QCN补充机制后进行实验时的队列长度。
[0032 ]图2为当存在空余带宽时的队列变化情况。
[0033]图3为本发明的拥塞点操作流程图。
[0034] 图4为本发明的响应点操作流程图。
[0035] 图5为本发明的响应点的状态转换图。
[0036] 图6为本发明分段切换线的图形化示意图。
[0037]图7为本发明多对一的单跳测试环境拓扑图。
[0038] 图8为本发明只使用折半搜索算法的FSQCN的队列长度的测试效果图。
[0039] 图9为本发明当存在突发流时空余带宽获取情况的测试对比图。
[0040] 图10为本发明拥塞交换机变化时的多跳测试环境拓扑图。
[0041 ]图11为本发明拥塞交换机变化时队列长度变化情况的测试对比图。
【具体实施方式】
[0042] 为使本发明的目的、内容及优点更加清楚，下面结合附图对本发明的实施方式进 行具体的阐述。
[0043] 本发明所述的快速简单的量化拥塞通告方法是针对QCN的两个缺点的改进。首先， QCN不能通过折半搜索算法找到正好饱和瓶颈带宽的合适的发送速率，结果，QCN为折半搜 索算法增加了额外的补充机制(主动增加、超主动增加），使得QCN的设计变得复杂了。
[0044] 为了验证QCN不能通过折半搜索算法找到合适的发送速率，在模拟实验中将QCN的 补充机制如主动增加、超主动增加移除掉。模拟场景采用多对一的拓扑，一共12个发送端，1 个接收端，链路速率为IGbps，交换机缓存为120KB。测得的交换机的队长变化如图1所示，其 中qt为瞬时的队列长度，q〇为目标队列长度。可以看到队列减少到〇,这说明瓶颈链路没有得 到饱和。
[0045] 其次，QCN在面对未知的网络环境时的速率设置存在不一致的地方。在初始时，QCN 直接以链路速率发送数据，速率设置方式激进;而在探测带宽时，可能从一个较小的速率值 开始缓慢地增长，即采用了保守的速率设置方式，这可能会导致获取剩余带宽的速度不快， 造成链路空闲或利用率下降的时间较长。
[0046]同样地，为了验证QCN可能需要长的时间去获取剩余带宽，模拟实验采用了与图1 同样的网络配置。实验中，一共有50条流向1个接收端发送数据，其中38条流在0.5s时完成 数据的发送。从图2可以看到，当这些流停止后所释放的带宽QCN需要约IOOms的时间去获 取。这个数值与数据中心网络中通常的RTT相比是很长的时间。
[0047]本发明所述的快速简单的量化拥塞通告方法，以下简称FSQCN方法，处理了 QCN的 两个缺点。FSQCN通过采用分段的切换线使得通过折半搜索即可找到合适的发送速率，从而 简化了QCN的设计;另外，当发现网络存在剩余带宽时，FSQCN通过拥塞点显式地反馈速率重 置包，以快速地获取这些剩余带宽。
[0048]所述FSQCN方法，由拥塞点和响应点两个部分组成。其中，所述拥塞点为以太网中 产生拥塞的交换机;所述响应点为发送端。
[0049]图3为本发明的拥塞点操作流程图。其操作过程如下：
[0050 ]步骤一:拥塞点将拥塞标志位conge s ted初始化为0。
[00511 步骤二:拥塞点每发送150KB，记录队列长度相对于qo的偏移量为Qrffiqt-qo,以及 队列长度在采样周期内的变化量Qdelta = qt-q0ld。并计算一个反映网络拥塞程度的量?6 = _ (Qoff+w · Qdelta),其中qcad为上一次采样时的队列长度，qo为目标队列长度，qt为当前队列长 度，w为常数，本实施例中取2。
[0052] 如果Fb〈0且QdeitaX)，则拥塞点首先将congested置1，再发送拥塞反馈包给响应点， 其中Fb被量化成6位并携带于拥塞反馈包中。
[0053] 步骤三:如果FbX), qt彡2 ,congested= 1，则拥塞点对每一个进入的包都生成一个 速率重置包发回到对应的响应点。如果拥塞点在连续地发送速率重置包的一段时间后，如 〇.5s，则恢复到初始的状态，即Congested = O，并不再发送速率重置包。
[0054] 图4为响应点操作流程图，具体如下：
[0055] 步骤1:响应点将流的发送速率置为链路速率。
[0056] 步骤2:响应点根据该拥塞反馈包中携带的信息，采用乘性减的方式降速。首先当 前的发送速率r保存为目标速率u;接着，采用如下公式降低发送速率：
[0057] r-r( 1-GdFb)
[0058] 其中Gd为常数，本实施例中取 128
[0059] 在降速后，如果响应点每发送150KB的数据或每隔15ms，而没有收到拥塞反馈包， 则采用折半搜索算法进行速率恢复，即
[0060]
[0061 ] 兵干uT = u+P，P73-个常数，取5Mbps。如果收到速率重置包，则直接忽略掉。如果 当前的发送速率满足r>u，则将当前速率直接设置为r = uT。
[0062] 步骤3:响应点在收到该速率重置包后，判断当前响应点所处的状态。如果r = uT， 则将当前速率r直接设置为链路速率。否则，继续采用折半搜索增加速率。
[0063]实际上，FSQCN的响应点可分为3个状态，如图5所示。在初始状态，响应点按步骤1 操作，如果此时收到拥塞反馈包，则进入恢复状态;在恢复状态，响应点按步骤2和步骤3中 的乘性减和折半搜索算法进行操作，直到恢复目标速率，之后进入目标状态;在目标状态， 如果收到速率重置包，则进入初始状态;如果收到拥塞反馈包，则进入恢复状态。
[0064]图6是拥塞点的操作图。FSQCN所设计的分段的切换线将由Qdelta和Qciff构成的区域 分成了二块。在切换线的上方，即速率降低区域。该区域Fb〈0且QciffX),拥塞点会生成拥塞反 馈包，并发回给响应点；而在切换线的下方区域，根据congested、队列长度是否小于等于2 个包，拥塞点会生成速率重置包。
[0065]图7是我们进行测试用的网络拓扑图之一。瓶颈链路带宽的速率为lGbps，交换机 的上行链路是lGbps，交换机的缓存是200Kbytes，链路的RTT是50微秒。所有流同时从客户 端开始发送到一个接收端。这个拓扑反映了数据中心中多对一的发送模式。本专利对QCN和 我们发明的FSQCN进行了性能比较，分别从折半搜索算法是否完全、对剩余带宽的折半速度 进行了比较。
[0066]图8是FSQCN去掉了其他机制而只使用折半搜索时的队列长度变化情况。初始时有 12个发送端向1个接收端发送数据。可以看到FSQCN很好地控制拥塞交换机的队列长度在了 目标值附近，这说明FSQCN只通过折半搜索便找到了适合的发送速率，使得链路得到了充分 利用。
[0067]图9中，初始时有50个发送端发送数据，其中有12条长流，剩余的38条流在0.5s时 停止发送数据。由于这些流的停止，一部分的瓶颈带宽空余出来。结果显示QCN花费约93ms 才能恢复到目标队长，这是因为QCN的发送速率的增加得慢。而FSQCN通过交换机显式反馈 速率重置包，只花费了约23ms就获取了剩余带宽。
[0068]图10是我们进行测试的第二种网络拓扑图。实验场景是在第1秒时，背景流是发送 端S2以IGbps的速率向接收端办发送的数据流。其中第0.5秒时，有8条突发流发送数据，它们 在0.6s停止。接着，在第2秒时，发送端S 2停止发送数据，发送端S3开始向接受端R3发送背景 流。同样地，在1.5秒时，有8条突发流发送数据，它们在1.6s停止。在这2秒的模拟实验中，发 送端S 1-直向接收端心发送数据。这样，在第1秒时，拥塞的交换机时ToR1，而在第2秒时，拥 塞的交换机变成了Aggi 了。
[0069]图11比较了 FSQCN和QCN在图10的网络拓扑图下拥塞交换机变化时的队列变化。可 以看到在第1秒和第2秒，FSQCN都比QCN更快地恢复到了目标队列速率。这是因为对于FSQCN 来说，当交换机发现带宽因流的离开而有空余时，立即发送速率重置包，结果FSQCN的源端 很快地占用掉这些空余的带宽；而QCN需要慢慢地探测，所以FSQCN比QCN获取带宽的速度 快。
【主权项】
1. 一种快速简单的量化拥塞通告方法，其特征在于，包括拥塞点操作和响应点操作： 拥塞点操作包含W下步骤： 步骤一:初始化，并W预定频率采样通过的数据帖，然后执行步骤二； 步骤二:根据拥塞信息来选择发送拥塞反馈包或者速率重置包；当发送速率重置包时， 在发送的同时判断是否超时，如果是，则执行步骤=，否则持续发送速率重置包； 步骤=:恢复初始状态，停止发送速率重置包，执行步骤一； 响应点操作包含W下步骤： 步骤1:初始化发送速率为链路速率； 步骤2:判断是否收到拥塞点发回的拥塞反馈包，如果是，则执行减速操作，然后执行步 骤4;否则，执行步骤3; 步骤3:判断是否收到拥塞点发回的速率重置包，如果是，则根据是否恢复了目标速率 来决定是否将当前速率重置为链路速率，执行步骤1;否则，执行步骤4; 步骤4:使用折半捜索算法周期性增加发送速率。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述拥塞点的操作步骤一中，所述的初始 化为将拥塞点处的拥塞标志位congested初始化为O，即非拥塞状态。3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述拥塞点的操作步骤二中，拥塞信息通 过W下步骤得到：拥塞点每发送150KB数据则计算一次反映网络拥塞程度的量Fb及队列变 化量Qdeita,并根据结果决定是否发送拥塞反馈包；根据Fb、congested及当前队列长度qt来 决定芦术侣：：单油恭击背向圭；了-其中Fb = -(Q〇ff+w ? Qdeita) ,Qoff = q广qo,即队列长度相对于qo的偏移量，Qdeita = Q广q〇id 是队列长度在采样周期内的变化量，quid为上一次采样时的队列长度，q日为目标队列长度，W 为常数。4. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述拥塞点的操作步骤=中：拥塞点连续 发送速率重置包，直至满足预设的超时条件后，将congested位置0，并停止发送速率重置 包。5. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述响应点的操作步骤帥：响应点在收到 拥塞反馈包后，将当前速率r保存为目标速率U，目标速率U加上一个常数后变为新的目标速 率UT，再采用如下乘性减的方式进行减速： r (I-GdFb) 其中Gd为常数。6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述响应点的操作步骤3中，响应点在收到 拥塞点发送的速率重置包时，如果当前发送速率恢复到目标速率，亦即r = UT，则将当前发 送速率置为链路速率;如果没有恢复到目标速率，则不进行任何操作。7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述响应点的操作步骤4中，响应点按如下 折半捜索算法周期性的调整发送速率：其中e为常数，周期为发送150KB的数据的时间或15ms，如果r〉u，则直接令r = UT。8.根据权利要求1-7任一所述的方法，其特征在于，所述的拥塞点为交换机，响应点为 能调节发送速率的源端。
【文档编号】H04L12/825GK105915464SQ201610454652
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月21日
【发明人】蒋万春, 阮昌, 王建新
【申请人】中南大学