可重构云端对端传输协议的研究与实现

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随着大数据,机器学习等新兴业务的发展,数据中心开始使用基于FPGA的可重构云架构进行应用与网络加速。为提升FPGA的资源利用率,云架构开发者常在分布式FPGA间部署直接端对端传输协议,使之整合成一个资源池,大幅提升FPGA的资源利用率。此外,FPGA卸载传输协议,可有效减轻端系统的CPU负载,进而增加数据中心租户数量以提升经济收入。目前,可应用于FPGA间的传输协议主要有NDP[1](New Data-center Protocol architecture),LTL[2](Light Transport Layer)和传统TCP协议。然而,部署NDP协议需要对网络中所有交换机进行定制,以致其难以在数据中心中大规模部署;部署LTL协议需要在所有交换机中开启复杂且有风险的机制,这使缺乏高水平的技术团队与网络运维团队支持的数据中心难以部署该协议;卸载复杂的TCP协议势必消耗大量硬件资源。并且,由于TCP迟钝的拥塞控制机制,使其传输性能达不到数据中心的传输要求[3]。因此,本文针对上述协议的不足,对面向可重构云的传输协议展开研究,主要工作和创新点包括:1.提出了一种全新的面向可重构云的可靠端对端传输协议—STRIDE。STRIDE是面向连接的轻量级传输协议,提供全双工的可靠传输,并且不需要对商用交换机进行任何修改。2.对STRIDE协议的实现模型进行整体规划和详细设计。为了提升传输性能,STRIDE采用了基于STT(Single Trip Time,单程时延)的拥塞控制机制和平分带宽启动机制。为了简化设计以降低硬件资源消耗,STRIDE采用了基于速率调整机制和基于段响应机制。3.实现了STRIDE协议原型,并在仿真软件OMNet平台上进行了大规模的部署。协议原型测试结果显示,与卸载传统TCP协议相比,STRIDE可以将FPGA上的各种可编程硬件资源消耗减少36%至49%。并且,将平均流完成时间提升至2.2倍。此外,仿真结果显示,STRIDE相比于DCTCP与TCP-Vegas,相应的流完成时间提升了约1.8倍与2.3倍。综上所述,为了解决现存可应用于可重构云的传输协议的不足,本文提出了一种可靠端对端传输协议——STRIDE。由于该传输协议具有高传输性能,低资源消耗,且无须交换机支持的特点,能够有效解决数据中心网络中传输性能不足,以及可编程资源消耗过大的问题,同时避开交换机开启复杂机制所面临的困难与风险,对可重构云架构的进一步推广具有重要的理论意义和实用价值。
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