数据中心光互连网络流量调度算法的研究

• 作 者: 马尚琪
• 出 处: 西安电子科技大学
• 发表日期: 2021年05期
• 关键词: 数据中心光互连 流量调度算法 光电路交换 动态拓扑技术

随着数据中心网络朝着超大规模方向发展,电互连网络在芯片容量、传输时延、网络能耗等方面面临无法逾越的瓶颈。光互连技术具有高带宽、低能耗、低开销等特点,能较好地满足大规模数据中心网络需求。基于光电路交换机(Optical Circuit Switch,OCS)的光互连网络具有设备成熟度高、拓扑结构简单、成本较低、配置灵活等特点,但光电路交换机没有缓存单元,在数据开始传输之前需要流量调度算法动态地配置光链路并分配带宽。现有流量调度算法受限于商用光电路交换机数十毫秒级的交换时延,存在光链路利用率较低、突发性流量和鼠流的通信需求无法保证等问题。随着硅光技术的发展,光交换模块不断改善,光电路交换机在数据层面具备了更精细的传输粒度,Mordia、Roter Net等交换机的配置时延达到微秒级。但微秒级光电路交换网络调度算法依然存在上述问题,并且无法兼顾时延敏感型和吞吐敏感型流量性能。为解决上述问题,本文分别提出针对毫秒级和微秒级光电路交换网络的流量调度算法。针对现有毫秒级光电路交换网络流量调度算法链路重配周期过长导致的时延敏感型数据流的流完成时间(Flow Complete Time,FCT)较高和光链路利用率较低等问题,本文提出了一种基于中继传输的调度策略(Relay-based Schedule Scheme,RSS)。RSS利用空闲链路通过中继架顶(Top of Rack,To R)交换机转发数据包,以减轻较长的链路重配周期对网络时延性能造成的影响。在不增加光电路交换机数量的情况下,RSS不仅使得鼠流和突发性流量有更多的机会通过光链路进行传输,还使得没有光链路直连的To R交换机之间可以通过中继To R交换机进行通信。本文还设计了相应的bufferfloat避免机制来防止中继To R交换机缓存过高导致的网络时延和吞吐性能急剧下降现象。网络仿真结果证明,在均匀、局部、跨步三种流量模式下,RSS鼠流FCT性能分别比现有基于KM算法的流量调度方案平均提升了47%、53.6%和39.8%。针对微秒级光电路交换网络流量调度算法无法兼顾时延敏感型和吞吐敏感型流量性能,以及配置开销较高、拓展性差、依赖于定制化光交换机难以实际部署等问题,本文提出了一种交换粒度可变的流量调度算法(Variable Granularity Schedule,VGS),该算法配置开销较低且能适用于多台光电路交换机的光互连网络。算法根据网络中虚队列缓存情况动态地改变拓扑重配间隔,实现了交换粒度可变的光链路调度;在保持承载吞吐敏感型流量链路不变的情况下重新配置承载时延敏感型流量的链路,降低了时延敏感型鼠流的排队时延并减少了承载吞吐敏感型象流的链路的重配次数,从而降低了配置开销并提高了网络资源利用率。仿真结果表明,均匀流量模式下VGS算法的平均鼠流和象流的FCT性能相比于TMS算法平均提升了68%和58%,跨步流量模式下可变交换粒度算法的平均鼠流和象流的FCT性能相比于Roter Net轮询算法平均提升了57.3%和52.7%。在不同的网络规模和流量模式下,VGS算法的ETE时延和吞吐性能也大幅提高。