一種面向Fat-Tree數據中心網絡架構的數據流轉發方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于數據中心網絡領域，涉及一種面向Fat-Tree數據中心網絡架構的數據流轉發方法，具體涉及一種應用在Fat-Tree網絡拓撲結構的數據中心網絡中的數據流的路由轉發策略。
【背景技術】
[0002]隨著互聯網技術的發展，尤其是云計算技術的廣泛應用，越來越多的網絡應用與服務部署在數據中心。不斷增多的用戶數量和用戶對于服務質量要求的提高對傳統的數據中心網絡服務提出了挑戰。以Fat-Tree為代表的多等價路徑網絡拓撲的出現為數據中心網絡服務提供了新的發展機遇。多路徑網絡拓撲利用額外的冗余鏈路帶寬，能夠克服由于用戶數量增加而帶來的服務瓶頸。
[0003]為了解決由于用戶數量增長而帶來的數據中心網絡服務瓶頸，Fat-Tree網絡拓撲技術被引入到數據中心網絡中。在目前應用Fat-Tree網絡拓撲的數據中心網絡中，數據流在多路徑的選擇上采用ECMP(Equal Cost Mult1-Path)路由算法。這種路由算法在每條數據流的路由選擇上，采用哈希的映射方法，將每條數據流映射到某一條路徑上。這種基于哈希的數據流的路徑選擇策略，是一種靜態的映射方法，它僅僅是在數量上將數據流均勻的分配到拓撲中的多條等價路徑上。由于采用哈希的方法進行路徑的選擇，在數據流數量比較多的條件下，必然會出現多個數據流在某一條路徑上發生碰撞的情況。當有比較大的數據流在路徑上傳輸時，必然會對與這條大數據流發生碰撞的其他數據流帶來大的傳輸時延，從而降低了網絡服務與應用的服務質量。ECMP僅僅依據數據中心網絡中數據流的數量，而沒有考慮到數據流的大小以及網絡鏈路帶寬的使用情況，從而導致數據中心網絡的鏈路利用率不高，多條等價路徑下的帶寬分配不均勻。這些最終造成了數據中心網絡的鏈路發生擁塞，增加了數據流傳輸的時延，降低了網絡應用服務的服務質量。已有另外一種方法以負載均衡為目標，在鏈路的選擇上考慮了鏈路的使用情況，讓各個鏈路均勻地承擔數據流的轉發。這種以公平性為目標的方法沒有考慮流的大小，只是單方面考慮網絡帶寬的使用情況，并且由于Fat-Tree拓撲結構的特點，這種方法只考慮了局部的鏈路情況。這種方法最終會對大數據流造成擁塞。
【發明內容】
[0004]為了克服現有技術結構的不足，本發明面向Fat-Tree數據中心網絡架構，提供一種基于SDN的流的路由轉發控制方法，利用全局網絡的信息，并結合Fat-Tree拓撲結構的特點，動態地調整數據中心網絡中數據流路由轉發策略；初始時將多條數據流以負載均衡為目標分配到不同的等價路徑上，減小不同數據流在同一條路徑上發生碰撞的概率；同時根據數據流的大小，動態調整大的數據流的轉發策略，減小發生擁塞的可能性；
[0005]本發明的面向Fat-Tree數據中心網絡架構的數據流路由轉發方法包括網絡鏈路信息的實時采集，數據流的統計信息收集和大數據流的檢測，數據流的負載均衡調度策略以及針對大數據流的調度策略。解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0006](I)采用支持OpenFlow協議的SDN交換機來構建Fat-Tree拓撲架構的數據中心網絡，利用SDN交換機的協議獲取交換機間的鏈路信息，以及網絡中正在轉發的流的流量統計信息。這部分功能主要通過部署兩個定時任務來實現:第一個定時任務每隔一定的時間間隔1\獲得一次交換機各個端口的流量信息，定義為{swID, portNum, x}，其中x表示在T1時間間隔內傳輸的字節數，在后面的計算中，通過比較不同端口的X的大小，可以比較出不同鏈路的帶寬使用率的大小；第二個定時任務是每隔一定的的時間間隔T2獲得一次網絡中正在轉發的流的統計信息，提取統計信息中的流的已傳輸的字節數，從而作為后續判定數據流的大小的依據。
[0007](2)設計一種動態的負載均衡的路由轉發策略，在初始情況下減小各個數據流在多條等價路徑上發生碰撞的概率，更加高效地利用網絡拓撲中的冗余路徑，具體步驟如下:
[0008]a.當一個流進入到數據中心網絡中時，首先解析出這個流的源、目的地址，并計算出這個流在Fat-Tree拓撲中需要到達的最高層；
[0009]b.為數據流自底向上逐層選擇合適的鏈路，利用⑴中得到的不同鏈路的帶寬利用率的大小，依據最壞適應算法，選取帶寬利用率最低的那條鏈路為數據流向上轉發的路徑；
[0010]C.一旦數據流到達了所要到達的最高層，根據Fat-Tree拓撲的特點，數據流由最高層向下到達目的地址的路徑已唯一確定，從而完成數據流從源地址到目的地址的路徑選擇。
[0011]d.將所選擇的路徑添加到相應的交換機的流表中。
[0012](3)設計一種針對大的數據流的路由轉發策略，為大數據流選取全局優化的路徑，降低大數據流的傳輸時間，減小大數據流對鏈路造成擁塞的可能，具體步驟如下:
[0013]a.當(I)中的第二個定時任務發現某一個流的已傳輸字節數達到了某一個閾值，這個流將被視為一個大流；
[0014]b.當一個數據流被判定為大流后，首先獲得這個流的源、目的地址，計算出從源地址到目的地址的所有路徑；
[0015]c.每一條路徑都由相等數目的鏈路組成，組成每條路徑的鏈路中都會有一條帶寬使用率最高的鏈路，這條鏈路將是其所在路徑的傳輸性能的瓶頸。基于最大最小公平原理，在這些帶寬利用率最高的鏈路中選取帶寬利用率最低的那條鏈路所在的路徑為當前大流的轉發路徑。
[0016]d.在交換機中刪除這條大流原有的流表項，并將新的轉發路徑添加到相應的交換機中。
[0017]本發明的有益效果是一種面向Fat-Tree數據中心網絡架構的，基于SDN的數據中心網絡中的數據流轉發控制方法，相對于其他調度方法，本方法利用SDN交換機的協議，定時獲取網絡中各個鏈路的帶寬使用情況，動態地將數據流負載均衡到合適的鏈路上，減少使用原有哈希算法時多個數據流在同一條鏈路上發生碰撞的幾率；充分利用Fat-Tree這種拓撲帶來的冗余路徑的優點，提高鏈路的使用率；并且針對大的數據流采用特定的路由轉發策略，較小鏈路發生擁塞的概率。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發明的系統結構示意圖。
[0019]圖2是本發明的流程圖。
[0020]圖3是本發明的具體事例示意圖。
【具體實施方式】
[0021]以下結合【附圖說明】和技術方案進一步說明本發明的【具體實施方式】。
[0022]如圖3所示，在一個4階的Fat-Tree拓撲結構的數據中心網絡中，每臺交換機都是支持OpenFlow協議的SDN交換機，網絡中每條鏈路的帶寬均為100Mbps。如圖1所示，運行兩個定時任務，分別以1\和T2為周期收集網絡的所有的鏈路統計信息和所有正在轉發的數據流的統計信息。在主機Hl向主機H2發送一個數據流fl，按照圖2中的流程所示，若與Hl相連的邊緣交換機中無相應的轉發流表項，則開始為Π計算基于負載均衡的轉發路徑。
[0023]解析Hl與H2的地址，確定f I需要到達的最高層為核心交換機層，f I從El開始轉發，逐層向上選擇當前交換機中空閑帶寬最大的那條鏈路，直到到達核心交換機層，若Hl選擇El—Al—Cl，則從Cl到達H2的下行路徑唯一確定，即Cl一A3—E2，則Hl與H2之間的路徑為Hl—El一Al一Cl一A3一E2一H2，并在交換機E1、Al、Cl、A3、E2中添加相應的流表項。
[0024]在某一時刻，若fl的轉發速率達到了 lOMb/s以上，則fl被判定為是一個大數據流，將為f I重新計算轉發路徑。Hl與H2之間共4條等價路徑El—Al一Cl一A3一E2、E1—Al一C2一A3一E2、El一A2一C3一A4一E2、El一Al一C4一A4一E2。比$父這 4 條路徑的帶寬瓶頸鏈路，選取其中空閑帶寬最大的那條帶寬瓶頸鏈路所在的路徑為fl的新的轉發路徑，并在對應的交換機中添加相應的流表項。
【主權項】
1.一種面向Fat-Tree數據中心網絡架構的數據流轉發方法，其特征在于， (1)采用支持OpenFlow協議的SDN交換機構建三層Fat-Tree拓撲結構的數據中心網絡；部署兩個定時任務模塊，通過SDN交換機提供的接口，分別收集網絡中所有鏈路的統計信息和網絡中數據流的統計信息，并分別以時間T1和時間T 2定期更新這些統計信息，從而實現對網絡鏈路情況和數據流傳輸情況的檢測； (2)初始情況，針對所有新進入到網絡中的數據流，采取一種負載均衡為目的的轉發策略；每當為一個新數據流計算轉發路由時，通過源地址與目的地址確定數據流在轉發過程中需要到達的最高層是Fat-Tree拓撲結構中的哪一層；基于最壞適應原理，流在向上層轉發的過程中，每次選取當前交換機向上鏈路中空閑帶寬最大的那條鏈路到達上一層的交換機，直到到達需要到達的最高層；鏈路的帶寬使用情況利用(I)中獲得的鏈路統計信息計算得出；基于Fat-Tree拓撲結構的特性，當確定了數據流到最高點的路徑后，從最高點到目的節點的下行路徑就是唯一確定的；確定這個數據流的轉發路徑之后，在路徑所經過的各個交換機上添加這個數據流的流表項即轉發規則； (3)當數據流在采用(2)所得到的路徑進行轉發的過程中，第二個定時任務以時間T2為周期獲得網絡中正在轉發的每個數據流的統計信息，并對這些信息進行實時處理，利用這些統計信息計算每個數據流的傳輸速率；每當一個數據流的傳輸速率高于鏈路帶寬的1/10時，將這個數據流視為一個大數據流，并為這個大數據流重新計算轉發路由；針對大數據流的轉發策略如下: a.確定這個大數據流的源地址與目的地址，計算出其在Fat-Tree拓撲結構下源地址與目的地址間全部的等價路徑； b.對于求得的每條等價路徑，通過(2)中獲得的鏈路統計信息，找出每條等價路徑中帶寬利用率最高的那條鏈路，即每條路徑的帶寬瓶頸鏈路； c.在這些帶寬瓶頸鏈路中，選取其中空閑帶寬最大的那條帶寬瓶頸鏈路所在的等價路徑為這條大數據流的新的轉發路徑，并在路徑中的各個節點交換機上添加轉發流表項； d.本策略以時間T2為周期動態地實現對網絡中的大數據流進行路由調整。
【專利摘要】本發明公開了一種面向Fat-Tree數據中心網絡架構的數據流轉發方法，屬于數據中心網絡技術領域。其特征是該方法結合數據中心網絡與SDN技術，在以Fat-Tree為網絡拓撲的數據中心網絡中，動態地控制網絡中流的轉發，并能根據網絡中流的大小，動態調整流的路由轉發策略。包括定時網絡鏈路信息采集模塊，數據流信息采集模塊，大數據流檢測處理模塊，負載均衡控制轉發模塊，大數據流轉發模塊功能。本發明可實現數據流在數據中心網絡中的負載均衡，根據不同的數據流大小動態地調整轉發策略，提高數據中心網絡的鏈路利用率，減小數據流轉發的時延，減小鏈路發生擁塞的幾率。
【IPC分類】H04L12-813, H04L12-803
【公開號】CN104767694
【申請號】CN201510162959
【發明人】李克秋, 王珣, 齊恒
【申請人】大連理工大學
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年4月8日