面向数据中心网络的低开销流调度算法研究

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流完成时间(Flow Complete Time,FCT)是数据中心衡量网络性能和延时的一个重要指标。根据最短剩余处理时间(Shortest Remining Processing Time,SRPT)进行调度是已知的最小化流完成时间的最优方法。现有的流调度方法通过在决策节点“本地”根据局部有限的信息选择符合SRPT的流进行调度的方式来趋近“全局”最优的调度。然而,我们发现本地调度与全局的流调度仍然存在不小的性能差距:当流在网络中遇到多瓶颈的时候,本地调度方法使用贪心策略并辅以朴素的故障恢复的流调度算法在收敛到全局解时进展缓慢。此外,这些流调度算法过度依赖网络中的优先级队列来对网络中的流量进行仲裁,而数据中心的交换机设备只提供有限的硬件队列,这些队列通常还要承担不一样的重要功能角色,用于流调度算法的少量队列约束这些算法的性能发挥。针对当前流调度算法存在的已知问题,本文设计和实现了面向数据中心网络的新型低开销流调度算法TicTac,并进行了深入研究,本文主要工作如下:(1)提出了针对本地调度算法的快速收敛机制。TicTac使流在无信息启动时通过共享方式利用更多带宽,以避免无信息启动时在多网络瓶颈的场景下出现较高的竞争失败概率。其次,通过在端节点发送显式竞争失效信号通知出现竞争失败的流所在的发端,从而协调多个发端或多个收端的流量调度,避免“盲目”选择的贪心调度策略和“盲目”等待的故障回退机制,加速调度失败回退的收敛过程。(2)设计了低队列开销的流协商和数据传输流程。区别于现有算法依赖优先级队列对瓶颈节点的竞争进行仲裁,TicTac在端节点发现并解决多流冲突的情况,最少只需一个先进先出(First In First Out,FIFO)优先级队列即可完成流调度和切换过程。同时使用信令精准地控制数据传输,结合对未受算法控制的报文主动丢弃策略,队列的长度可以被控制在非常低的水平。(3)设计了TicTac的原型系统和仿真验证算法的性能表现。运行在NS3上的仿真实验结果表明TicTac相较于现有的调度算法能够更加充分利用网络带宽,同时有效地减少了网络中存在多瓶颈流场景时的完成时间。与现有工作相比,在多种不同的工作负载下,TicTac算法减少了 10%~50%的平均流完成时间的同时,使交换机队列延迟在99.9%的情况下低于1微秒。最后,TicTac算法在智能网卡上的原型系统作为未来工作已在进行中,并且计划在商用数据中心网络中验证其正确性和可扩展性。
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