CN109873773B - 一种用于数据中心的拥塞控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于数据中心的拥塞控制方法，根据数据流的优先级、排队时延以及拥塞等级对拥塞窗口的大小进行更新；优点是对不同优先级的数据流进行差异化控制，当对截止时间敏感的大数据流超时重传时，可以减少小数据流的完成时间，提高长数据流的吞吐量。

Description

一种用于数据中心的拥塞控制方法

技术领域

本发明涉及一种拥塞控制方法，尤其是涉及一种用于数据中心的拥塞控制方法。

背景技术

高速网络技术的发展成就了数据中心。数据中心具有独特的网络拓扑结构、高带宽和低延时的数据链路以及高突发的工作负载流量模式。为了保证数据中心中数据交互的有序性和时效性，需要对数据中心的数据拥塞情况进行监测并根据检测情况进行控制。目前，为了减少小数据流(小于200KB)的完成时间，满足对时间敏感的数据流的截止时间的需求并且最大化大数据流(大于1MB)的吞吐量，一些用于数据中心的特殊定制的TCP拥塞控制方法被提出，比如DCTCP以及L²DCT。

在网络数据传输中，数据流通常被分为多个数据包按序发送，所有的数据包发送完成表示数据流发送完成。DCTCP以及L²DCT这两种拥塞控制方法，都是通过对拥塞窗口的大小的控制来实现拥塞控制的。这两种拥塞控制方法，发送方维持一个拥塞窗口，拥塞窗口的大小取决于网络的拥塞程度，并且动态变化，发送方控制拥塞窗口的原则是：只要网络没有出现拥塞，拥塞窗口就增大一些，以便将数据流中更多的数据包发送出去；只要网络出现拥塞，拥塞窗口就减小一些，以减小注入到网络中的数据包。DCTCP利用了交换机中的显式拥塞通知(ECN)功能，将ECN功能与数据源端的控制策略相结合，从而保证交换机缓存空间的数据占据率始终低于某个阈值。当包丢失时，DCTCP 使用网络拥塞程度来调整拥塞窗口。在交换机上，DCTCP采用非常简单的主动队列管理机制，当队列占用超过设定的阈值时，到达的数据包被标记上拥塞(CE)标志，表示数据包发生了拥塞。在接收端进行ECN回传，即DCTCP接收端能够精确传达哪个数据包经历了拥塞。而在发送端会对数据包被标记的概率α进行估计，每当发送端发送数据流的一个数据包至接收端，接收端收到该数据包后会发送ACK(确认信息)至发送端，发送端根据接收到的确认信息的数量对拥塞概率α进行更新。当α>0且α<1时说明拥塞可能低；当α>1说明拥塞可能性高，从而根据而概率α的值对拥塞窗口大小进行调整。但是，DCTCP需要来自网络内交换机的配置良好的显式拥塞通知的支持，比较复杂，且DCTCP没有考虑到大数据流和小数据流的传输特点，因此不利于减小小数据流的传输延迟。L²DCT考虑数据流大小，根据一个数据流到目前为止发送的数据包数量以及网络拥塞程度来调节拥塞窗口。L²DCT是使用传输的数据量来进行拥塞窗口的调整，以实现隐式优先调度与最低服务(LAS)。但同样，L²DCT是一个截止时间不可知的方法，不能保证对截止时间敏感的数据流的传输性能。

由此，DCTCP以及L²DCT这两种拥塞控制方法都不能满足对截止时间敏感的大数据流的需求，不能在截止时间到达之前为对截止时间敏感的大数据流分配更多的带宽，一旦对截止时间敏感的数据流不能在截止时间到达之前完成传输，此时对截止时间敏感的大数据流将会超时重传，由此导致小数据流的完成时间变长，长数据流的吞吐量下降。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种对不同优先级的数据流进行差异化控制，当对截止时间敏感的大数据流超时重传时，可以减少小数据流的完成时间，提高长数据流的吞吐量的一种用于数据中心的拥塞控制方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于数据中心的拥塞控制方法，根据数据流的优先级、排队时延以及拥塞等级对拥塞窗口的大小进行更新。

根据数据流的优先级、排队时延以及拥塞等级对拥塞窗口的大小进行更新的具体过程为：

①设定参考值：拥塞窗口大小，数据流权重阈值上限、数据流权重阈值下限、数据流大小阈值上限、数据流大小阈值下限、判定阈值、数据包的最小往返时间、发送端接收到ACK的总数量、发送端接收到具有拥塞标记ACK的总数量、加权因子、拥塞等级和拥塞阈值，将拥塞窗口的大小记为cwnd，将数据流权重阈值上限记为S_max，令S_max＝2.5，将数据流权重阈值下限记为S_min，令S_min＝0.125，将数据流大小阈值上限记为c_e，令c_e＝1MB，将数据流大小阈值下限记为m_c，m_c＝200KB，将判定阈值记为p_c，令p_c＝0.125，将数据包的最小往返时间记为RTT_min，将发送端接收到ACK的总数量记为ACK_o，发送端接收到具有拥塞标记ACK的总数量记为ACK_s，将加权因子记为g，令g＝0.0625，将拥塞等级记为α，将拥塞变量记为α1；

②当一个传输轮次的数据包到达发送端发送时，按照以下步骤进行控制：

②-1、对该传输轮次中各个数据包所属的数据流的优先级分别进行计算，具体过程为：

A.每个数据包的优先级等于其所属的数据流的优先级，故将数据包所属的数据流的优先级权重记为s_c，该数据流的优先级记为p，获取该数据流的大小，将该数据流的大小记为f_s；

B.确定该数据流的优先级权重s_c：如果f_s≤m_c，令s_c＝S_max，如果f_s≥c_e，令s_c＝S_min，如果m_c＜f_s＜c_e，则令

符号*为乘运算符号；

C.确定该数据流的优先级p：设定优先级阈值，将优先级阈值记为p1，采用公式

计算得到p1，如果p1<p_c，则将p_c的值赋给p，如果p1≥p_c，则将p1的值赋给p；

②-2、对拥塞等级α进行更新，具体过程为：

D.对RTT_min、ACK_o、ACK_s和α进行初始化，令RTTmin＝0，ACKo＝0，ACK_s＝0，α＝0；

E.在网络中，每个数据流会被分为多个数据包后依次传送，将数据流中一个数据包从在发送端发送开始至发送端接收到接收端发送的该数据包的ACK所经历的时间记为RTT，每当发送端接收到接收端发出的一个ACK时，获取该ACK所对应的数据包的 RTT；

F.发送端每接收到一个ACK，则按照以下规则对RTT_min、ACK_o、ACK_s和α1依次进行更新：首先对RTT_min的当前值进行判定，如果RTT_min的当前值等于0或者RTT_min的当前值大于当前接收的ACK所对应的数据包的RTT，将当前接收的ACK所对应的数据包的RTT的值赋给RTT_min，对RTT_min的当前值进行更新，否则RTT_min的当前值保持不变；然后将ACK_o的当前值加1得到的值赋值ACK_o，对ACK_o的当前值进行更新；接着判定当前接收的ACK所对应的数据包的RTT是否大于RTT_min+Oth，其中Oth＝0.17d，d等于当前接收的ACK所对应的数据包的RTT，如果当前接收的ACK所对应的数据包的RTT大于RTT_min+Oth，则对该ACK进行标记，将该ACK标记为一个具有拥塞标记的ACK，并将ACK_s的当前值加1得到的值赋值给ACK_s，对ACK_s的当前值进行更新，如果当前接收的ACK所对应的数据包的RTT小于或者等于RTT_min+Oth时，则ACK_s的当前值保持不变；最后设定中间变量参数α1，采用公式α1＝(1-g)*α+g*(ACKs/ACKo)计算得到α1，将计算得到的α1的值赋值给α，对α的当前值进行更新；

②-3、发送端每接收一个ACK，就根据当前计算得到的α和当前接收的ACK所对应的数据包所属数据流的优先级p的值对拥塞窗口的大小cwnd进行更新，并根据更新后的拥塞窗口的大小cwnd调整拥塞窗口：如果当前接收的ACK为具有拥塞标记的ACK，则采用

的值去更新拥塞窗口的大小cwnd，如果当前接收的ACK不为具有拥塞标记的ACK，拥塞窗口的大小cwnd保持其当前值不变；

②-4、当发送端接收到当前传输轮次的所有数据包的ACK后，采用cwnd+cinc的值去更新拥塞窗口的大小cwnd，其中

其中Qd表示排队时延，排队时延Qd为当前传输轮次中最后一个数据包的RTT减去RTTmin的差值，该传输轮次的拥塞控制结束；

③当下一个传输轮次的数据包到达发送端发送时，返回步骤②对下一个传输轮次进行拥塞控制，周而复始。该方法中，使用数据包的延迟而不是ECN标记来预测网络拥塞，这就不需要中间设备的支持，当α为零时，即网络无拥塞时，高优先级的数据流与低优先级的数据流占用瓶颈带宽的速度相同，这可以保证瓶颈链路的高链路利用率，当α>0，即网络轻度拥塞或重度拥塞时，低优先级流比高优先级拥塞机制更早地降低发送速率，这两种机制共同保证了***的性能，故本方法能够在网络拥塞度高的情况下，保证高优先级数据流的传输。

与现有技术相比，本发明的优点在于通过根据数据流的优先级、排队时延以及拥塞等级对拥塞窗口的大小进行更新，由此对不同优先级的数据流进行差异化控制，当对截止时间敏感的大数据流超时重传时，可以减少小数据流的完成时间，提高长数据流的吞吐量。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：一种用于数据中心的拥塞控制方法，根据数据流的优先级、排队时延以及拥塞等级对拥塞窗口的大小进行更新。

实施例二：本实施例与实施例一基本相同，区别在于：根据数据流的优先级、排队时延以及拥塞等级对拥塞窗口的大小进行更新的具体过程为：

①设定参考值：拥塞窗口大小，数据流权重阈值上限、数据流权重阈值下限、数据流大小阈值上限、数据流大小阈值下限、判定阈值、数据包的最小往返时间、发送端接收到ACK的总数量、发送端接收到具有拥塞标记ACK的总数量、加权因子、拥塞等级和拥塞阈值，将拥塞窗口的大小记为cwnd，将数据流权重阈值上限记为S_max，令S_max＝2.5，将数据流权重阈值下限记为S_min，令S_min＝0.125，将数据流大小阈值上限记为c_e，令c_e＝1MB，将数据流大小阈值下限记为m_c，m_c＝200KB，将判定阈值记为p_c，令p_c＝0.125，将数据包的最小往返时间记为RTT_min，将发送端接收到ACK的总数量记为ACK_o，发送端接收到具有拥塞标记ACK的总数量记为ACK_s，将加权因子记为g，令g＝0.0625，将拥塞等级记为α，将拥塞变量记为α1；

②当一个传输轮次的数据包到达发送端发送时，按照以下步骤进行控制：

②-1、对该传输轮次中各个数据包所属的数据流的优先级分别进行计算，具体过程为：

A.每个数据包的优先级等于其所属的数据流的优先级，故将数据包所属的数据流的优先级权重记为s_c，该数据流的优先级记为p，获取该数据流的大小，将该数据流的大小记为f_s；

B.确定该数据流的优先级权重s_c：如果f_s≤m_c，令s_c＝S_max，如果f_s≥c_e，令s_c＝S_min，如果m_c＜f_s＜c_e，则令

符号*为乘运算符号；

C.确定该数据流的优先级p：设定优先级阈值，将优先级阈值记为p1，采用公式

计算得到p1，如果p1<p_c，则将p_c的值赋给p，如果p1≥p_c，则将p1的值赋给p；

②-2、对拥塞等级α进行更新，具体过程为：

D.对RTT_min、ACK_o、ACK_s和α进行初始化，令RTTmin＝0，ACKo＝0，ACK_s＝0，α＝0；

E.在网络中，每个数据流会被分为多个数据包后依次传送，将数据流中一个数据包从在发送端发送开始至发送端接收到接收端发送的该数据包的ACK所经历的时间记为RTT，每当发送端接收到接收端发出的一个ACK时，获取该ACK所对应的数据包的 RTT；

F.发送端每接收到一个ACK，则按照以下规则对RTT_min、ACK_o、ACK_s和α1依次进行更新：首先对RTT_min的当前值进行判定，如果RTT_min的当前值等于0或者RTT_min的当前值大于当前接收的ACK所对应的数据包的RTT，将当前接收的ACK所对应的数据包的RTT的值赋给RTT_min，对RTT_min的当前值进行更新，否则RTT_min的当前值保持不变；然后将ACK_o的当前值加1得到的值赋值ACK_o，对ACK_o的当前值进行更新；接着判定当前接收的ACK所对应的数据包的RTT是否大于RTT_min+Oth，其中Oth＝0.17d，d等于当前接收的ACK所对应的数据包的RTT，如果当前接收的ACK所对应的数据包的RTT大于RTT_min+Oth，则对该ACK进行标记，将该ACK标记为一个具有拥塞标记的ACK，并将ACK_s的当前值加1得到的值赋值给ACK_s，对ACK_s的当前值进行更新，如果当前接收的ACK所对应的数据包的RTT小于或者等于RTT_min+Oth时，则ACK_s的当前值保持不变；最后设定中间变量参数α1，采用公式α1＝(1-g)*α+g*(ACKs/ACKo)计算得到α1，将计算得到的α1的值赋值给α，对α的当前值进行更新；

②-3、发送端每接收一个ACK，就根据当前计算得到的α和当前接收的ACK所对应的数据包所属数据流的优先级p的值对拥塞窗口的大小cwnd进行更新，并根据更新后的拥塞窗口的大小cwnd调整拥塞窗口：如果当前接收的ACK为具有拥塞标记的ACK，则采用

的值去更新拥塞窗口的大小cwnd，如果当前接收的ACK不为具有拥塞标记的ACK，拥塞窗口的大小cwnd保持其当前值不变；

②-4、当发送端接收到当前传输轮次的所有数据包的ACK后，采用cwnd+cinc的值去更新拥塞窗口的大小cwnd，其中

其中Qd表示排队时延，排队时延Qd为当前传输轮次中最后一个数据包的RTT减去RTTmin的差值，该传输轮次的拥塞控制结束；

③当下一个传输轮次的数据包到达发送端发送时，返回步骤②对下一个传输轮次进行拥塞控制，周而复始。

本发明的用于数据中心的拥塞控制方法的工作原理为：首先是用时延来代替网络内交换机的ECN标记，然后通过数据流的优先级、排队时延以及网络拥塞程度来调节发送端的拥塞窗口大小，当一个数据包被虚拟ECN标记，表示可能发生拥塞，就将拥塞窗口减小，一个传输轮次结束后，就通过数据流优先级以及网络拥塞程度来更新拥塞窗口的大小。

Claims (1)

1.一种用于数据中心的拥塞控制方法，其特征在于根据数据流的优先级、排队时延以及拥塞等级对拥塞窗口的大小进行更新；

根据数据流的优先级、排队时延以及拥塞等级对拥塞窗口的大小进行更新的具体过程为：

①设定参考值：拥塞窗口大小，数据流权重阈值上限、数据流权重阈值下限、数据流大小阈值上限、数据流大小阈值下限、判定阈值、数据包的最小往返时间、发送端接收到ACK的总数量、发送端接收到具有拥塞标记ACK的总数量、加权因子、拥塞等级和拥塞阈值，将拥塞窗口的大小记为cwnd，将数据流权重阈值上限记为S_max，令S_max＝2.5，将数据流权重阈值下限记为S_min，令S_min＝0.125，将数据流大小阈值上限记为c_e，令c_e＝1MB，将数据流大小阈值下限记为m_c，m_c＝200KB，将判定阈值记为p_c，令p_c＝0.125，将数据包的最小往返时间记为RTT_min，将发送端接收到ACK的总数量记为ACK_o，发送端接收到具有拥塞标记ACK的总数量记为ACK_s，将加权因子记为g，令g＝0.0625，将拥塞等级记为α，将拥塞变量记为α1；

②当一个传输轮次的数据包到达发送端发送时，按照以下步骤进行控制：

②-1、对该传输轮次中各个数据包所属的数据流的优先级分别进行计算，具体过程为：

A.每个数据包的优先级等于其所属的数据流的优先级，故将数据包所属的数据流的优先级权重记为s_c，该数据流的优先级记为p，获取该数据流的大小，将该数据流的大小记为f_s；

B.确定该数据流的优先级权重s_c：如果f_s≤m_c，令s_c＝S_max，如果f_s≥c_e，令s_c＝S_min，如果m_c＜f_s＜c_e，则令

符号*为乘运算符号；

C.确定该数据流的优先级p：设定优先级阈值，将优先级阈值记为p1，采用公式

计算得到p1，如果p1<p_c，则将p_c的值赋给p，如果p1≥p_c，则将p1的值赋给p；

②-2、对拥塞等级α进行更新，具体过程为：

D.对RTT_min、ACK_o、ACK_s和α进行初始化，令RTTmin＝0，ACKo＝0，ACK_s＝0，α＝0；

E.在网络中，每个数据流会被分为多个数据包后依次传送，将数据流中一个数据包从在发送端发送开始至发送端接收到接收端发送的该数据包的ACK所经历的时间记为RTT，每当发送端接收到接收端发出的一个ACK时，获取该ACK所对应的数据包的RTT；

F.发送端每接收到一个ACK，则按照以下规则对RTT_min、ACK_o、ACK_s和α1依次进行更新：首先对RTT_min的当前值进行判定，如果RTT_min的当前值等于0或者RTT_min的当前值大于当前接收的ACK所对应的数据包的RTT，将当前接收的ACK所对应的数据包的RTT的值赋给RTT_min，对RTT_min的当前值进行更新，否则RTT_min的当前值保持不变；然后将ACK_o的当前值加1得到的值赋值ACK_o，对ACK_o的当前值进行更新；接着判定当前接收的ACK所对应的数据包的RTT是否大于RTT_min+Oth，其中Oth＝0.17d，d等于当前接收的ACK所对应的数据包的RTT，如果当前接收的ACK所对应的数据包的RTT大于RTT_min+Oth，则对该ACK进行标记，将该ACK标记为一个具有拥塞标记的ACK，并将ACK_s的当前值加1得到的值赋值给ACK_s，对ACK_s的当前值进行更新，如果当前接收的ACK所对应的数据包的RTT小于或者等于RTT_min+Oth时，则ACK_s的当前值保持不变；最后设定中间变量参数α1，采用公式α1＝(1-g)*α+g*(ACKs/ACKo)计算得到α1，将计算得到的α1的值赋值给α，对α的当前值进行更新；

②-3、发送端每接收一个ACK，就根据当前计算得到的α和当前接收的ACK所对应的数据包所属数据流的优先级p的值对拥塞窗口的大小cwnd进行更新，并根据更新后的拥塞窗口的大小cwnd调整拥塞窗口：如果当前接收的ACK为具有拥塞标记的ACK，则采用

的值去更新拥塞窗口的大小cwnd，如果当前接收的ACK不为具有拥塞标记的ACK，拥塞窗口的大小cwnd保持其当前值不变；

②-4、当发送端接收到当前传输轮次的所有数据包的ACK后，采用cwnd+cinc的值去更新拥塞窗口的大小cwnd，其中

其中Qd表示排队时延，排队时延Qd为当前传输轮次中最后一个数据包的RTT减去RTTmin的差值，该传输轮次的拥塞控制结束；

③当下一个传输轮次的数据包到达发送端发送时，返回步骤②对下一个传输轮次进行拥塞控制，周而复始。