CN103259723A - 基于数据中心网络路由与流抢占调度相结合的节能方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于数据中心网络路由与流抢占调度相结合的节能方法，包括以下步骤：接收网络流，并计算网络流在数据中心网络中传输的多条路由路径；判断多条路由路径中是否存在空闲路径；当多条路由路径中没有空闲路径时，根据网络流的优先级从多条路由路径中获得备选路由路径集；以及从备选路由路径集中选择经过空闲交换机数量最少的第一路由路径，并通过第一路径发送网络流。根据本发明实施例的方法，能够有效提高网络资源的利用率，大幅改善数据中心网络的能量使用效率，同时能够改善网络流的平均完成时间，确保了数据传输的实时性和可行性，使得数据传输更加灵活、方便控制。

Description

基于数据中心网络路由与流抢占调度相结合的节能方法

技术领域

本发明涉及网络技术领域，特别涉及一种基于数据中心网络路由与流抢占调度相结合的节能方法。

背景技术

数据中心网络的目标是将大量的数据中心服务器互联起来，为上层应用提供有效和容错的路由传输服务。作为云计算的基础设施，数据中心网络的建设需要满足高可扩展性、高可靠性、高网络吞吐率和造价低廉等目标。然而随着云计算应用的兴起和数据中心规模的不断扩大，数据中心的能耗问题已经突显出来。数据中心的巨大能耗问题不但导致了巨额的网络营运成本，而且对社会和环境造成了严重的负面影响，已经成为当今云服务和数据中心可持续发展的重大障碍。

当前数据中心网络拓扑普遍采用树型拓扑方案，但实践证明这种拓扑方案已经不能很好地适应于海量数据交互的需求。为了追求更好的网络吞吐率和网络可靠性，近几年来研究者提出了多种新型的“富连接”拓扑方案。其中一类拓扑方案是以交换机为核心，网络连接和路由功能都由交换机来完成的网络拓扑，包括：Fat-Tree、VL2和PortLand等。另一类拓扑方案则是以服务器为核心，把主要的互联和路由智能放在服务器上，交换机只是作为简单的交叉开关矩阵(CrossBar)使用，例如，DCell、BCube和FiConn等。

为了实现网络高可靠性和高性能，满足网络峰值负载的需求，这些新型数据中心网络拓扑通常使用冗余的网络资源来提供路由转发服务。但是在大多数情况下，数据中心的计算负载和流量都远远低于峰值，因此造成数据中心能量使用效率低下，这为在数据中心网络中研究节能技术提供了机会。目前已有的数据中心网络级节能技术通常聚焦于研究节能的拓扑和路由设计，没有考虑如何以一种能量有效的方式去调度数据中心中的网络流，在这些方案中，当网络流到达时就会立即调度，并且使用TCP协议竞争链路带宽。但是事实上，网络流的不同路径选择和调度策略都会影响数据中心网络的能耗，因此在研究数据中心网络节能时，应该同时考虑这两个因素。

现有的节能路由方案常常关注于如何为网络流选择节能的传输路径，使网络流聚集起来进行传输以实现网络能耗的节省，而没有考虑网络流的调度时机，通常当网络流到达网络时将会被立即调度，网络流在传输过程中将会与其它网络流共享网络带宽资源。然而由于网络流之间相互竞争带宽，使得在这些节能路由方案中，网络流无法充分的利用网络带宽资源，导致较低的网络链路利用率，带来了网络电能的使用效率低下等问题。此外，现有的流调度策略通常关注于如何实现网络流传输时的负载均衡，以获得高性能的网络流传输，而没有使用流调度策略实现网络能耗节省。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于数据中心网络路由与流抢占调度相结合的节能方法。

为达到上述目的，本发明的实施例提出一种基于数据中心网络路由与流抢占调度相结合的节能方法，包括以下步骤：接收网络流，并计算所述网络流在数据中心网络中传输的多条路由路径；判断所述多条路由路径中是否存在空闲路径；当所述多条路由路径中没有空闲路径时，根据网络流的优先级从所述多条路由路径中获得备选路由路径集；以及从所述备选路由路径集中选择经过空闲交换机数量最少的第一路由路径，并通过所述第一路径发送所述网络流。

根据本发明实施例的基于数据中心网络路由与流抢占调度相结合的节能方法，能够有效提高网络资源的利用率，大幅改善数据中心网络的能量使用效率，同时能够改善网络流的平均完成时间，确保了数据传输的实时性和可行性，使得数据传输更加灵活、方便控制。

本发明的一个实施例中，在所述备选路由路径集中的每个路由路径上，所述网络流的优先级高于其它网络流的优先级。

本发明的一个实施例中，所述网络流在所述数据中心网络中传输时，采用独占网络链路宽带的方式进行传输。

本发明的一个实施例中，还包括：当判断所述多条路由路径中有空闲路径时，通过所述空闲路径发送所述网络流。

本发明的一个实施例中，所述通过所述空闲路径发送所述网络流，具体包括：当所述空闲路径为一条空闲路径时，则通过所述空闲路径发送所述网络流；当所述空闲路径为多条空闲路径时，则从所述多条空闲路径中选择经过空闲交换机数量最少的第一空闲路由路径，并通过所述第一空闲路径发送所述网络流。

本发明的一个实施例中，还包括：如果判断所述网络流没有空闲路径可用且在所述多条路由路径中的每个路由路径上，所述网络流的优先级低于其它网络流的优先级，则使所述网络流延迟发送。

本发明的一个实施例中，所述网络流的优先级与所述网络流的数据大小相关。

本发明的一个实施例中，所述网络流的数据越小，所述网络流的优先级越高。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的基于数据中心网络路由与流抢占调度相结合的节能方法的流程图；

图2为根据本发明一个实施例的基于数据中心网络路由与流抢占调度相结合的节能方法的流程示意图；

图3为根据本发明一个实施例的基于数据中心网络路由与流抢占调度相结合的节能方法的功能模块示意图；以及

图4为根据本发明一个实施例的网络流节能路由和调度状态计算过程伪代码。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

图1为根据本发明一个实施例的基于数据中心网络路由与流抢占调度相结合的节能方法的流程图。图2为根据本发明一个实施例的基于数据中心网络路由与流抢占调度相结合的节能方法的流程示意图。如图1所示，根据本发明实施例的基于数据中心网络路由与流抢占调度相结合的节能方法，包括以下步骤：

步骤101，接收网络流，并计算网络流在数据中心网络中传输的多条路由路径。

具体地，接收到一条网络流f后，首先计算网络流f在该数据中心网络中的多条可用传输路径。假设可用路径数量为M(M>0)。在利用数据中心网络拓扑，例如，FatTree、BCube和VL2拓扑能够较容易地计算出网络流f的多条传输路径，即路由路径。具体而言，在一个含有n个pod的Fat-Tree拓扑中，位于不同pod的两个服务器之间存在(n/2)²条可用路径，位于同一pod的两个服务器之间存在n/2条可用路径。在一个k阶的BCube拓扑中，每个服务器使用k+1个NIC接口分别连接不同层次的交换机，在任意两台服务器之间均存在k+1条节点不相交的可选路径。在VL2拓扑中，如果每台中间交换机和聚集交换机均含有n个接口，则位于不同机架内的两台服务器之间存在2n条可选路径。

在本发明的一个实施例中，定义两个网络流集合：F_send集合和F_wait集合。F_send集合用于保存正在网络中运行的网络流信息。F_wait集合记录已到达网络等待调度的网络流集合，F_wait集合中的网络流需要按照优先级从大到小进行排序。

步骤102，判断多条路由路径中是否存在空闲路径。

具体而言，判断M条可用传输路径中是否存在空闲路径。所谓网络流f的空闲路径是指该网络流可用传输路径上所有链路均未被其它网络流占用的路径。具体为，首先计算当前数据中心网络中每一条链路上的流数量。之后依次轮询网络流f的每条可用传输路径P_i(1<=i<=M)，检查路径P_i所经过的链路上网络流的数量是否等于0。若路径P_i上所有链路的网络流数量均等于0，则为网络流f存在空闲路由路径，否则网络流f不存在空闲路由路径。

在本发明的一个实施例中，当判断多条路由路径中有空闲路径时，通过空闲路径发送网络流。当空闲路径为一条空闲路径时，则通过空闲路径发送网络流。当空闲路径为多条空闲路径时，则从多条空闲路径中选择经过空闲交换机数量最少的第一空闲路由路径，并通过第一空闲路径发送网络流。具体为，当网络流f只存在1条空闲路径时，则使用该路径发送该网络流，并将其添加到F_send集合中。若空闲路径为多条空闲路径时，则从多条空闲路径中选择经过空闲交换机数量最少的第一空闲路由路径。所谓空闲交换机是指所经过的网络流数量为0的那些交换机。在执行时，需要依次计算网络流f的每一条空闲路径上所经过的空闲交换机的数量，之后选择经过空闲交换机数量最少的路径发送网络流f，并将其添加到F_send集合中。

步骤103，当多条路由路径中没有空闲路径时，根据网络流的优先级从多条路由路径中获得备选路由路径集。

步骤104，从备选路由路径集中选择经过空闲交换机数量最少的第一路由路径，并通过第一路径发送网络流。

具体地，如果网络流f不存在空闲路径，则检查其是否有抢占路径。所谓网络流f的抢占路径是指经过该路径上任何一条链路的网络流的优先级都低于网络流f的优先级。在备选路由路径集中的每个路由路径上，网络流的优先级高于其它网络流的优先级。网络流的优先级与网络流的数据大小相关，网络流的数据越小，网络流的优先级越高。在实施过程中也可以使用其它衡量优先级的标准，例如，网络流的到达时间及网络流要求的完成时间等。其中所谓网络流的大小是指从源服务器到目的服务器所发送的一条网络流的总数据量大小。本发明的实施例中采用网络流的大小来评价其优先级。首先计算网络流f的优先级以及在其可用路径上所有与网络流f相竞争的网络流的优先级，所谓两条网络流之间相互竞争是指在这两条网络流所选择的传输路径上至少有一条相同的网络链路。之后比较网络流f与这些网络流的优先级大小，若在网络流f的某一条传输路径上所有的与之竞争的网络流数量均小于网络流f，则立即使用该路径发送网络流f，并且中止所有与网络流f相互竞争的低优先级网络流的发送，将这些流从F_send集合转移至F_wait集合中。

在本发明的一个实施例中，网络流在数据中心网络中传输时，采用独占网络链路宽带的方式进行传输。如果判断网络流没有空闲路径可用且在多条路由路径中的每个路由路径上，网络流的优先级低于其它网络流的优先级，则使网络流延迟发送。

图3为根据本发明一个实施例的基于数据中心网络路由与流抢占调度相结合的节能方法的功能模块示意图。如图3所示，本方法的功能模块包括：网络流管理模块、优先级比较模块、调度计算模块和网络配置模块。

网络流管理模块用于收集网络的拓扑信息和流量信息，网络流管理模块中包括交换机与服务器的互连关系、网络流的源服务器和目的服务器信息以及流大小等信息。此外，网络流管理模块还维护两个流集合的***、删除、更新等任务。该流集合为是F_send集合和F_wait集合，F_send集合记录正在网络中运行的网络流信息，F_wait集合记录已到达网络等待调度的网络流集合，F_wait集合中的网络流需要按照优先级从大到小进行排序。

优先级比较模块用于比较网络流的优先级。该模块使用网络流大小作为优先级的比较标准，越大的网络流的优先级越低，越小的网络流的优先级越高。

调度计算模块用于计算网络流的路由路径和调度状态。当有新的网络流达到网络中或者F_send集合中的网络流完成传输时，执行该模块。对于前一种情况，当一条新的网络流到达时，由网络流管理模块收集该网络流的信息，包括：源服务器、目的服务器以及流大小等信息，之后将其输出给调度计算模块，在调度计算模块中进行流的路由和调度计算。对于后一种情况，当F_send集合中的网络流完成传输时，网络流管理模块将F_wait集合中保存的每一条网络流依次输出给调度计算模块，由调度计算模块决定是否调度以及如何调度这些网络流。

网络配置模块用于将调度计算模块输出的网络流路由和流调度结果配置到的数据中心网络中。

图4为根据本发明一个实施例的网络流节能路由和调度状态计算过程伪代码。下面通过如图4所示的伪代码说明基于数据中心网络路由与流抢占调度相结合的节能方法。

首先定义两类路径：空闲路径和抢占路径。所谓空闲路径是指正在网络中发送的所有流都不经过该路径上的任何一条链路。所谓网络流f的抢占路径是指经过该路径上任何一条链路的网络流的优先级都低于网络流f的优先级。此外，所谓两条网络流相互竞争是指在这两条网络流的路由路径上至少有一条相同的链路。

在计算网络流f的节能路径及调度状态算法中，输入包括数据中心网络拓扑G以及网络流f的相关信息，输出包括网络流f的传输路径和调度状态信息。当网络流f到达网络时，首先使用函数GetAvailPathSet(.)计算网络流f的多条可用传输路径，之后使用函数SelectIdlePath(.)从网络流的多个可用路径中选择空闲路径（如图4中第1和2行所示），如果没有这样的路径，则为网络流f计算抢占路径（如图4中第8行所示），并使用该路径发送该网络流f，此时所有与网络流f相互竞争且优先级低于网络流f的网络流被中止发送，并将其放入F_wait集合中（如图4中第12-16行所示）。通过抢占调度网络流，使得相互竞争的网络流在传输时能够独占网络链路带宽，从而提高链路利用率和改善网络能量使用效率。其中，PreemptedFlowSet(.)函数用于计算当网络流f选择抢占路径之后，与之竞争的网络流集合。如果网络流f既没有空闲路径也没有抢占路径，则该网络流被中止发送，并将其置于F_wait集合中（如图4中第19-20行所示）。在上述的计算步骤中，如果存在多条可用的空闲路径或者抢占路径，则使用函数SelectLPPath(.)进一步选择经过空闲交换机数量最少的那条路径（如图4中第4和10行所示），其目的是为了在传输网络流的同时更加充分的共享交换机，从而提高交换机的利用率和改善数据中心网络的能耗。

根据本发明实施例的基于数据中心网络路由与流抢占调度相结合的节能方法，能够有效提高网络资源的利用率，大幅改善数据中心网络的能量使用效率，同时能够改善网络流的平均完成时间，确保了数据传输的实时性和可行性，使得数据传输更加灵活、方便控制。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种基于数据中心网络路由与流抢占调度相结合的节能方法，其特征在于，包括以下步骤：

接收网络流，并计算所述网络流在数据中心网络中传输的多条路由路径；

判断所述多条路由路径中是否存在空闲路径；

当所述多条路由路径中没有空闲路径时，根据网络流的优先级从所述多条路由路径中获得备选路由路径集；以及

从所述备选路由路径集中选择经过空闲交换机数量最少的第一路由路径，并通过所述第一路径发送所述网络流。

2.如权利要求1所述的基于数据中心网络路由与流抢占调度相结合的节能方法，其特征在于，在所述备选路由路径集中的每个路由路径上，所述网络流的优先级高于其它网络流的优先级。

3.如权利要求1所述的基于数据中心网络路由与流抢占调度相结合的节能方法，其特征在于，所述网络流在所述数据中心网络中传输时，采用独占网络链路宽带的方式进行传输。

4.如权利要求1所述的基于数据中心网络路由与流抢占调度相结合的节能方法，其特征在于，还包括：

当判断所述多条路由路径中有空闲路径时，通过所述空闲路径发送所述网络流。

5.如权利要求4所述的基于数据中心网络路由与流抢占调度相结合的节能方法，其特征在于，所述通过所述空闲路径发送所述网络流，具体包括：

当所述空闲路径为一条空闲路径时，则通过所述空闲路径发送所述网络流；

当所述空闲路径为多条空闲路径时，则从所述多条空闲路径中选择经过空闲交换机数量最少的第一空闲路由路径，并通过所述第一空闲路径发送所述网络流。

6.如权利要求1所述的基于数据中心网络路由与流抢占调度相结合的节能方法，其特征在于，还包括：

如果判断所述网络流没有空闲路径可用且在所述多条路由路径中的每个路由路径上，所述网络流的优先级低于其它网络流的优先级，则使所述网络流延迟发送。

7.如权利要求1所述的基于数据中心网络路由与流抢占调度相结合的节能方法，其特征在于，所述网络流的优先级与所述网络流的数据大小相关。

8.如权利要求7所述的基于数据中心网络路由与流抢占调度相结合的节能方法，所述网络流的数据越小，所述网络流的优先级越高。

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