基于SDN的内存优化技术研究

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互联网技术飞速发展,用户数量及网络流量呈爆炸式增长,远程直接内存访问技术(RDMA)依靠其低时延、低CPU占用、高吞吐量的巨大优势脱颖而出。基于RDMA的以太网协议(Ro CE)主要依靠基于优先级的流量控制(PFC)等机制来保障无损丢包。然而在实际数据中心网络运行中,这些机制将可能导致因数据传输而创建的交换机内存中接收队列之间的循环缓冲依赖性,从而引发PFC内存永久阻塞这一严重后果。同时,传统网络架构均存在灵活性低、管控能力弱等缺陷,而软件定义网络(SDN)架构具备数控分离、可编程性及集中式管控等强大功能,使网络能够灵活动态地被扩展配置,以适应新业务和新需求。因此本文将SDN架构引入RDMA承载的数据中心网络,构建交换机内存永久阻塞优化策略,通过对网络的集中化控制,来解决传统数据中心网络架构中存在的复杂、难以管控的问题。该优化策略旨在以动态感知并破除已形成循环缓冲依赖的方式规避内存永久阻塞的发生,在达到网络中交换机内存优化目的的同时,保证RDMA数据中心网络的高效平稳运行。论文围绕着此重点展开研究,主要内容包含以下方面。首先,对RDMA和SDN相关技术进行探究,通过实验和理论研究,主要从多条数据流状态、极限速率状态、ARP条目更新不同步三个方面深入分析了Ro CE网络中内存永久阻塞形成的过程及原因,总结并讨论多角度解决思路,同时详细分析了SDN架构特性、Open Flow协议以及SDN控制器,在此基础上明确本文的考量角度。其次,通过将交换机内存中排队过程具体抽象,构建改进的内存阻塞平衡模型。结合内存阻塞特性定义了低优先级队列忽视高优先级队列数据包的概率(忽视因子?),能够暂时削弱高优先级的优先权,从减小内存阻塞概率的角度出发,求解含有忽视因子?的高低优先级阻塞平衡模型。通过Matlab证明其有效性,同时NS-3仿真表明启用忽视因子时内存中低优先级接收队列的压力缓解能力能够提高约6%。最后,基于SDN新型网络架构构建了数据中心交换机内存永久阻塞优化策略,通过在SDN控制器中添加交换机内存状态监控子模块、依赖异常感知子模块、转发控制决策部署子模块及备选回退路径触发器来实现对原PFC机制的改进与补充,从破除已形成循环缓冲依赖的角度,针对不同对象给出具体优化措施,解决了原机制为数据中心网络带来内存永久阻塞的问题。通过NS-3设计仿真实验,验证了论文所构建的基于SDN的数据中心交换机内存永久阻塞优化策略可以对数据中心交换机实现有效合理的内存优化,避免PFC内存永久阻塞,保障网络平稳高效运行。
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