TWI429242B - 用於對資料中心乙太網路架構虛擬道之適應性壅塞控制的方法、系統及電腦程式產品 - Google Patents

用於對資料中心乙太網路架構虛擬道之適應性壅塞控制的方法、系統及電腦程式產品 Download PDF

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TWI429242B
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Description

用於對資料中心乙太網路架構虛擬道之適應性壅塞控制的方法、系統及電腦程式產品
本發明大體係關於訊務控制，且詳言之，係關於適應性壅塞控制。
商標
IBM為美國紐約Armonk之國際商業機器有限公司(International Business Machines Corporation)的註冊商標。本文中所使用之其他名稱可為國際商業機器有限公司或其他公司之註冊商標，或註冊的商標名稱或產品名稱。
資料中心乙太網路(DCE)為新興的行業標準，其提議對現有網路之修改，努力將乙太網路定位為較佳的集合組構或所有類型之資料中心訊務。最近的研究已發現乙太網路為集合組構，其具有在資料中心中之I/O合併，如圖1中所示。期望此合併簡化平台架構且降低總體平台成本。對於合併之提議的更多細節描述於"Proposal for Traffic Differentiation in Ethernet Networks"中，其可在http：//www.ieee802.org/1/files/public/docs2005/new-wadekar-virtual%20-links-0305.pdf 處發現。
已提議對於DCE(亦被稱作增強型乙太網路及低延時乙太網路)之主要改變，包括在鏈路層處授權式流量控制之添加、壅塞偵測及資料速率減緩及具有服務品質區別的虛擬道之添加。重點應注意，此等功能不影響存在於DCE層上之傳輸控制協定/網際網路協定(TCP/IP)。亦應注意，DCE意欲在無需TCP/IP之附加項的情況下操作。此提供不需要卸載處理或加速器之簡單得多的低成本方法。
DCE之實施將需要在伺服器處之新的DC相容網路介面卡、儲存控制單元及乙太網路交換器，最為可能承擔10十億位元之資料速率。存在若干相關的架構努力，包括用於高效能伺服器之低延時乙太網路及在DCE組構中之各種其他協定的囊封體以有助於在接下來的若干年內至集中式DCE網路之遷移。用於資料中心網路之此新架構呈現許多技術難題。
在某些條件下，允許在TCP/IP下運作的習知乙太網路丟棄資料封包。此等網路已知為"最佳努力"或有損網路。使用其他協定(諸如，非同步轉移模式(ATM))之網路亦使用此方法。此等網路依賴於用於偵測壅塞的被丟棄封包。在一使用TCP/IP之網路中，TCP/IP軟體對此等網路提供端至端流量控制之形式。然而，自封包丟棄進行之恢復可招致顯著的延時處罰。此外，亦浪費了已由所丟棄之封包使用之任何網路資源。已完全確定，企業資料中心環境需要除非封包被破壞否則不丟棄封包之無損協定。同樣，企業資料中心環境需要快得多的恢復機制，諸如，光纖通道協定、無限寬頻等。無損網路防止緩衝器溢流，提供較快的回應時間來恢復破壞的封包，不會遭受由損耗誘發的輸送量限制，且允許叢發訊務流無延遲地以全寬頻進入網路。重點應注意，此等功能不影響在DCE層上之TCP/IP。需要某一其他形式之流量控制及壅塞決議來解決此等問題。
使用授權式流量控制之網路遭受壅塞"熱點"。此問題說明於圖2A至圖2D中。在此等圖中所說明之實例展示具有三層級聯交換(交換器層1、交換器層2及交換器層3)及其相關聯之訊務流之交換器組構。雖然為了說明之簡單性展示了三個交換器層，但應瞭解，一交換器組構可含有多得多的交換器層。
在圖2A中，訊務平滑無壅塞地流動。然而，如圖2B中所示，若所有輸入訊務中之相當一部分之目標針對同一輸出埠，則該輸出鏈路可飽和，因此形成"熱點"210。此情況導致交換器上充滿饋入該鏈路之佇列。若訊務型樣持續，則交換器上的可用緩衝器空間可能被耗盡。此又可導致交換之先前階段使其緩衝器空間飽和，因此形成如圖2C中所示之額外熱點220及230。壅塞最終可阻塞至網路輸入節點之所有途徑，因此形成熱點240-256。此被稱作壅塞擴展或樹飽和。一或多個飽和樹可同時形成且極快速地擴展至整個網路。在一完全形成之飽和樹中，每一封包必須經由網路穿越其途徑上之至少一飽和交換器。總體而言，結果為網路可遭受輸送量之災難性損耗。
已存在針對此問題之若干提議解決方案。一提議之解決方案涉及偵測在交換器處的潛在緩衝器溢流條件及將一訊息於下游廣播至目的地，接著返回至來源節點，其請求減緩資料速率。此方法係費時的。同樣，其依賴於交換器中之用於偵測緩衝器正接近飽和的時間之預設臨限值。訊務之叢發可使交換器快速超過其臨限值位準及立即再快速減弱。在此等條件下，基於訊務量之單一臨限值不能夠足夠快地進行補償。
許多其他習知方案需要對壅塞點所處位置的某一先驗瞭解。此等方案僅良好地作用於可預測且不適合於具有不可預測訊務型樣之混合訊務的訊務型樣。
另一普通替代解決方法涉及配置過量的頻寬或對網路進行過度配置以避免熱點形成。然而，過度配置並不完全隨網路節點之數目增加而縮放，且當資料速率接近10Gbit/s時，其為昂貴的解決方案。此外，DCE意欲將不同的資料訊務型樣(語音、儲存、串流視訊、廣告其他企業資料)混合至單一網路上。由於訊務型樣不太可預測，因此此使DCE將極可能遭遇熱點壅塞。
根據一例示性實施例，提供一種用於一資料中心乙太網路(DCE)網路中進行之適應性壅塞控制之方法、系統及電腦程式產品。經由該DCE網路中之至少一虛擬道接收封包。計算一時間段內的一絕對封包到達速率或相對封包到達速率。比較該絕對封包到達速率或相對封包到達速率與至少一第一臨限值及一第二臨限值。若該絕對封包到達速率或相對封包到達速率超過該第一臨限值，則使封包傳輸速率減小。若該絕對封包到達速率或相對封包到達速率小於一第二臨限值，則使該封包傳輸速率增加。
參看例示性圖式，其中在若干圖中同樣的元件相似地編號。
根據一例示性實施例，大型資料中心乙太網路(DCE)網路中之鏈路層處之可靠性得以增強。在一實施例中，動態地計算封包到達速率且將其與臨限值相比較，而非僅計數在交換器緩衝器中累積的封包之總數。此允許較快地偵測潛在壅塞條件且適當地作出回應。在壅塞緩慢形成之情況下，此方法亦可等待直至需要減緩封包傳輸速率。此方法亦允許在壅塞已通過後較快地執行恢復，且將鏈路減緩直至其完全操作速率。
根據一例示性實施例，為了防止丟棄封包，每一封包經指派一封包序號(PSN)。在一實施例中，PSN可包括保留於封包標頭中之24個位元，其具有可選的3個位元之會話識別符。例如，在以引用的方式併入本文中之共同受讓的美國專利申請案第11/426,421號中描述了指派此等序號及當重建鏈路時再初始化有效PSN之序列的方案。
圖3說明根據一例示性實施例的用於在一DCE網路中的適應性壅塞控制之方法。在步驟310處，經由一虛擬道在一交換器處接收一封包。在步驟320處，判定封包是否具有一有效PSN。可(例如)在交換器(諸如，圖5中所示之交換器510a)中進行此判定。若該封包未承載有效PSN，則在步驟325處產生一錯誤，且過程返回至步驟310。若封包確實承載一有效PSN，則在步驟330處判定一計數器計時器是否在運作。若為否，則在步驟340處，起動計數器計時器且使其遞增一。若計數器計時器在運作，則在步驟345處使其遞增一。當每一承載一有效PSN之連續封包達到時，使計數器計時器遞增。在步驟350處，計算絕對封包到達速率。由於僅量測封包到達速率，因此此時無需檢查依序的PSN。可計算在一固定時間間隔或可變長度時間窗內的絕對封包到達速率。在步驟360-368處，比較絕對封包到達速率與各種臨限值。可在交換器中執行此比較。若在步驟362處判定絕對封包到達速率超過一臨限值位準而指示封包到達速率正快速增加，則在步驟372處(例如)自交換器發送一減緩封包傳輸速率之訊息至來源節點(例如，圖5中所示之來源節點520)。若在步驟364處判定絕對封包到達速率超過一較低臨限值而指示封包到達速率正緩慢增加，則在步驟374處在等待預定時間量後可減緩輸入。亦可顛倒該過程，使得若在步驟366處判定絕對封包到達速率小於一預定臨限值而指示封包到達速率正緩慢減小，則在步驟376處在一預定時間量後將一增加封包傳輸速率之命令發送至來源節點。若在步驟368處判定絕對封包到達速率小於一較低臨限值而指示封包到達速率正快速減小，則在步驟378處可使來源節點快速增加封包傳輸速率。
根據另一實施例，可使用DCE封包標頭之時間戳記代替計數器來判定用於在與臨限值相比較中使用之相對封包到達速率。圖4A說明對於各種封包如何可隨時間過去而存在自發射封包的時間直至接收到該封包之偏移改變(差量(delta))。可在一時間段內量測封包發射時間與封包接收時間之間的偏移，且將其用作相對封包傳輸速率之指示。可藉由偵測在發射(例如，自一交換器)時間置於封包標頭上以指示封包之發射時間的一時間戳記且判定接收到該封包(例如，在另一交換器處)之時間來量測該偏移。偏移為發射時間與接收時間之間的時間差。為慮及延時，時間戳記可在封包離開一節點(例如，一交換器)時被置於封包之標頭上。偏移之改變可指示在一時間段內封包到達速率正增加還是正減小。可基於封包發射時間與封包到達時間之間的偏移來計算相對封包到達速率，且可進行量測以藉由比較計算得之相對封包到達速率與各種臨限值，來使封包到達速率增加或減小，如下參看圖4B解釋。此允許網路中之集中式管理器判定壅塞點或來源封包注入速率是否正為緩慢。此實施例不需要網路中任何地點(包括來源節點、目的地節點及內部節點及交換器)的接收及發射時脈之同步，因為僅使用發射時間與到達時間之間的偏移以計算相對封包到達速率。因此，封包之發射與封包之接收之間的時間偏移可能為負值。
圖4B說明根據一例示性實施例的用於使用時間戳記方法在一DCE網路中的適應性壅塞控制之方法。在步驟410處，經由一虛擬道在一交換器處接收一封包。如上所述，在步驟420處，判定自發射封包之時間與接收封包之時間的偏移。在步驟440處，基於一時間段內若干封包之發射時間與到達時間之間的偏移來計算相對封包到達速率。可在一固定時間間隔或可變長度時間窗內計算該相對封包到達速率。類似於圖3中所示之過程，在步驟460-468處比較該相對封包到達速率與各種臨限值。可在交換器中執行此比較。若在步驟462處判定相對封包到達速率超過一臨限值位準而指示封包到達速率正快速增加，則在步驟472處發送減緩封包傳輸速率之訊息至來源節點(例如，圖5中所示之來源節點520)。若在步驟464處判定相對封包到達速率超過一較低臨限值而指示相對封包到達速率正緩慢增加，則在步驟474處在等待預定時間量後可減緩輸入。亦可顛倒該過程，使得若在步驟466處判定相對封包到達速率小於一預定臨限值而指示封包到達速率正緩慢減小，則在步驟476處在一預定時間量後將一增加封包傳輸速率之命令發送至來源節點。若在步驟468處判定相對封包到達速率小於一較低臨限值而指示相對封包到達速率正快速減小，則在步驟478處可使來源節點快速增加封包傳輸速率。
根據一例示性實施例，圖3及圖4B中所描繪之過程可藉由執行編碼於包括於電腦程式產品中之電腦可讀媒體(諸如，CD-ROM碟或軟性磁碟)上之指令的控制邏輯及/或電腦處理器而實施於一交換器中。
上述方法可於每一交換器處實施於網路中之每一節點上。以此方式，可極為快速地回應為壅塞之潛在原因的訊務叢發。同樣，當壅塞通過時，可較快地執行恢復。
圖5說明根據一例示性實施例的用於適應性壅塞控制之一例示性系統。如圖5中所示，封包經由交換器510a及510b及鏈路540之DCE組構在來源節點520與目的地節點530之間傳輸。雖然為了說明之簡單性在圖5中展示了兩個交換器，但應瞭解，可存在多得多的交換器。封包到達速率可經量測/計算且與交換器510a及510b中之臨限值相比較(如上所述)。交換器又可使來源節點(或目的地節點，若正自目的地節點發送訊務)按需要增加/減小封包傳輸速率。
如上所述，可針對訊務增加/減小之不同速率而設定不同臨限值位準。舉例而言，若訊務傳輸速率緩慢增加，則在請求來源節點減緩輸入資料速率前可存在一暫停。類似地，若訊務傳輸速率緩慢減小，則在請求來源節點增加輸入資料速率前可存在一暫停。以此方式，儘可能長地使最大資料量保持於管線中，此使得更有效地使用可用網路頻寬。可視封包到達速率及臨限值而定來調整最大允許接收緩衝器配置。同樣，根據例示性實施例，與僅量測封包之總數相比，可達成自壅塞條件之較快恢復。此使得能提前防止壅塞樹之形成且使網路輸送量及效率最佳化。
另外，此方法可實施於在共同高速連接上傳輸若干虛擬訊務流之每虛擬道基礎系統上。以此方式，在一虛擬道上之訊務叢發將不會引起對於共用同一實體連接之其他訊務流之壅塞。此負載平衡特別有益於混合訊務類型。同樣，可基於封包到達速率之增加及減小來調整接收緩衝器大小之配置。甚至可能實施一反饋迴路用於視壅塞之程度而定在不同虛擬道之間動態地配置訊務。
如上所指出，圖3及圖4B中所描繪之過程可藉由執行編碼於包括於電腦程式產品中之電腦可讀媒體(諸如，CD-ROM碟或軟性磁碟)上之指令的控制邏輯及/或電腦處理器而實施於一交換器中。用於實施電腦程式產品上之該等過程之一例示性系統展示於圖6中。
圖6說明根據例示性實施例的用於使用一電腦程式產品實施適應性壅塞控制之一例示性系統。該系統包括一經由輸入/輸出介面630與信號承載媒體640接觸之電腦600。信號承載媒體640可包括用於執行上述適應性壅塞控制技術之指令，該等指令經實施為(例如)永久儲存於不可寫入儲存媒體(例如，電腦內之唯讀記憶體裝置，諸如，可由CD-ROM光碟機讀取之CD-ROM光碟)上之資訊、儲存於可寫入儲存媒體(例如，軟碟機內之軟性磁碟或硬碟機)上之可更改資訊、由通信媒體傳送至電腦的資訊，諸如，經由電腦或電話網路，包括無線及寬頻通信網路，諸如，網際網路等。
電腦包括處理器610，其執行含在(例如)信號承載媒體640上用於執行適應性壅塞控制技術且經由輸入/輸出介面630通信至電腦之指令。用於執行適應性壅塞控制之指令可儲存於記憶體620中或可保留於信號承載媒體640上。
雖然已參照例示性實施例描述了本發明，但熟習此項技術者應理解，在不脫離本發明之範疇之情況下可進行各種改變且可用等效物取代其元件。此外，在不脫離本發明之基本範疇的情況下，可進行許多修改以使一特定情形或材料適合於本發明之教示。因此，本發明不欲限於經揭示為預期用於執行本發明之最佳模式之特定實施例，本發明而是包括屬於隨附申請專利範圍之範疇的所有實施例。
210．．．熱點
220．．．熱點
230．．．熱點
240．．．熱點
242．．．熱點
244．．．熱點
246．．．熱點
248．．．熱點
250．．．熱點
252．．．熱點
254．．．熱點
256．．．熱點
510a．．．交換器
510b．．．交換器
520．．．來源節點
530．．．目的地節點
540．．．鏈路
600．．．電腦
610．．．處理器
620．．．記憶體
630．．．輸入/輸出介面
640．．．信號承載媒體
圖1說明所提議的在一資料中心乙太網路(DCE)網路中之訊務的合併。
圖2A至圖2D說明在習知的授權式流量控制網路中出現的壅塞"熱點"。
圖3說明根據一例示性實施例的用於適應性壅塞控制之方法。
圖4A說明封包之發射與封包之接收之間的偏移改變。
圖4B說明根據另一實施例的用於適應性壅塞控制之方法。
圖5說明根據一例示性實施例的用於適應性壅塞控制之一例示性系統。
圖6說明根據例示性實施例的用於使用一電腦程式產品實施適應性壅塞控制之一例示性系統。
(無元件符號說明)

Claims (20)

  1. 一種用於在一資料中心乙太網路(DCE)網路中進行之適應性壅塞控制之方法，其包含以下步驟：經由該DCE網路中之至少一虛擬道接收封包；計算一時間段內的一絕對封包到達速率或一相對封包到達速率；比較該絕對封包到達速率或相對封包到達速率與至少一第一臨限值及一第二臨限值；若該絕對封包到達速率或相對封包到達速率超過該第一臨限值，則使封包傳輸速率減小；及若該絕對封包到達速率或相對封包到達速率小於該第二臨限值，則使該封包傳輸速率增加。
  2. 如請求項1之方法，其中該絕對到達速率係藉由以下步驟來計算：判定每一經接收之封包是否具有一有效封包序號；及若該經接收之封包具有一有效封包序號，則遞增一計數器，其中該絕對封包到達速率係基於在該時間段內該計數器中之增量來計算。
  3. 如請求項1之方法，其中該相對封包到達速率係藉由以下步驟來計算：偵測每一經接收之封包之指示發射該封包時之一時間的一時間戳記；及判定自該封包之接收之一時間與發射該封包時之該時間的一偏移，其中該相對封包到達速率係基於在該時間 段內封包之接收之偏移來計算。
  4. 如請求項1之方法，其中該絕對封包到達速率或相對封包到達速率係在一固定時間段或一可變時間段內計算的。
  5. 如請求項1之方法，其進一步包含：比較該絕對封包到達速率或相對封包到達速率與一第三臨限值；及若該絕對封包到達速率或相對封包到達速率超過該第三臨限值但小於該第一臨限值，則使該封包傳輸速率在一暫停後減小。
  6. 如請求項1之方法，其進一步包含：比較該絕對封包到達速率或相對封包到達速率與一第四臨限值；及若該絕對封包到達速率或相對封包到達速率小於該第四臨限值但不小於該第二臨限值，則使該封包傳輸速率在一暫停後增加。
  7. 如請求項1之方法，其中基於每虛擬道對封包執行該等步驟。
  8. 如請求項1之方法，其進一步包含視該至少一虛擬道上之該計算得的封包到達速率而定來動態地增加或減小在其他虛擬道上之封包傳輸速率。
  9. 一種用於在一資料中心乙太網路(DCE)網路中進行之適應性壅塞控制之系統，其包含：一發射器，其用於經由該DCE網路中之至少一虛擬道 傳輸封包；一接收器，其用於自該發射器接收該等經傳輸之封包；及一交換器，其散置於該發射器與該接收器之間，其中該交換器自該發射器接收該等封包且計算在一時間段內之一絕對封包到達速率或一相對封包到達速率，且比較該絕對封包到達速率或相對封包到達速率與至少一第一臨限值及一第二臨限值，其中若該絕對封包到達速率或相對封包到達速率超過該第一臨限值，則該交換器使封包傳輸速率減小，且若該絕對封包到達速率或相對封包到達速率小於該第二臨限值，則該交換器使該封包傳輸速率增加。
  10. 如請求項9之系統，其中該交換器進一步判定每一經接收之封包是否具有一有效封包序號，且若該經接收之封包具有一有效封包序號，則由該交換器遞增一計數器，其中該交換器基於在該時間段內該計數器中之增量來計算該絕對封包到達速率。
  11. 如請求項9之系統，其中該交換器偵測每一經接收之封包之指示發射該封包時之一時間的一時間戳記，且判定自該封包之接收之一時間與發射該封包時之該時間的一偏移，其中該計算該相對封包到達速率之步驟係基於在該時間段內封包之接收之偏移。
  12. 如請求項9之系統，其中該絕對封包到達速率或相對封包到達速率係在一固定時間段或一可變時間段內計算 的。
  13. 如請求項9之系統，其中該交換器進一步比較該絕對封包到達速率或相對封包到達速率與一第三臨限值，且若該絕對封包到達速率或相對封包到達速率超過該第三臨限值但小於該第一臨限值，則該交換器使該封包傳輸速率在一暫停後減小。
  14. 如請求項9之系統，其中該交換器進一步比較該絕對封包到達速率或相對封包到達速率與一第四臨限值，且若該絕對封包到達速率或相對封包到達速率小於該第四臨限值但不小於該第二臨限值，則該交換器使該封包傳輸速率在一暫停後增加。
  15. 一種用於在一資料中心乙太網路(DCE)網路中進行之適應性壅塞控制之電腦程式產品，其包含一具有一電腦可讀程式之電腦可使用媒體，其中當在一電腦上執行時該電腦可讀程式使該電腦：計算在一時間段內的一絕對封包到達速率或一相對封包到達速率；比較該絕對封包到達速率或相對封包到達速率與至少一第一臨限值及一第二臨限值；若該絕對封包到達速率或相對封包到達速率超過該第一臨限值，則使封包傳輸速率減小；及若該絕對封包到達速率或相對封包到達速率小於該第二臨限值，則使該封包傳輸速率增加。
  16. 如請求項15之電腦程式產品，其中該絕對到達速率係藉 由以下步驟來計算：判定每一經接收之封包是否具有一有效封包序號；及若該經接收之封包具有一有效封包序號，則遞增一計數器，其中該絕對封包到達速率係基於在該時間段內該計數器中之增量來計算。
  17. 如請求項15之電腦程式產品，其中該相對封包到達速率係藉由以下步驟來計算：偵測每一經接收之封包之指示發射該封包時之一時間的一時間戳記；及判定自該封包之接收之一時間與發射該封包時之該時間的一偏移，其中該相對封包到達速率係基於在該時間段內封包之接收之偏移來計算。
  18. 如請求項15之電腦程式產品，其中該絕對封包到達速率或相對封包到達速率係在一固定時間段或一可變時間段內計算的。
  19. 如請求項15之電腦程式產品，其中該電腦可讀媒體進一步包括當在一電腦上執行時使該電腦進行以下步驟之指令：比較該絕對封包到達速率或相對封包到達速率與一第三臨限值；及若該絕對封包到達速率或相對封包到達速率超過該第三臨限值但小於該第一臨限值，則使該封包傳輸速率在一暫停後減小。
  20. 如請求項15之電腦程式產品，其中該電腦可讀媒體進一 步包括當在一電腦上執行時使該電腦進行以下步驟之指令：比較該絕對封包到達速率或相對封包到達速率與一第四臨限值；及若該絕對封包到達速率或相對封包到達速率小於該第四臨限值但不小於該第二臨限值，則使該封包傳輸速率在一暫停後增加。
TW097136513A 2007-09-26 2008-09-23 用於對資料中心乙太網路架構虛擬道之適應性壅塞控制的方法、系統及電腦程式產品 TWI429242B (zh)

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