[发明专利]数据中心环境下细粒度级别混合的负载均衡方法

说明书

本发明公开了一种数据中心环境下细粒度级别混合的负载均衡方法，应用于数据中心网络的接入交换机中，针对象流、鼠流进行区分调度，对象流采用flowlet粒度转发，对鼠流采用数据包粒度转发，同时将部分鼠流数据包定向填充至队列较短的交换机端口中。本发明采取的转发策略尽可能使每一条链路公平地达到较高利用率，以保证负载均衡效果。本发明对于不同大小的流采取不同级别的较细粒度调度，可有效提高流完成时间(FCT)，同时不易发生非对称网络拓扑情况下数据包乱序造成的TCP性能降低的问题。

技术领域

本发明属于数据中心流量负载均衡领域，特别是一种数据中心环境下细粒度级别混合的负载均衡方法。

背景技术

现代的数据中心网络(DCN)一般采用三层或二层的Clos拓扑结构，如Fat-tree、leaf-spine。可以将这些数据中心中的流量统一划分为两类：其一是为完成用户任务(如搜索查询)产生的流量，一般规模较小，要求较短的传播时延，称为鼠流；其二是虚拟机迁移、数据备份等产生的流量，规模较大，要求长时间稳定的吞吐量，称为象流。针对于以上的流量模式，现有数据中心模式的传统做法是使用等价多路径路由策略(ECMP)。

由于数据中心网络拓扑的对称结构，服务器对之间存在若干条等价最短路径，交换机通过哈希计算数据包头携带的五元组信息得到的值(源ip地址，目的ip地址，源端口号，目的端口号，传输层协议)，选择其中一条路径进行转发。这一方案有效地解决了服务器对之间若干条流在传统路由模式下只选择同一条路径的链路负载极不均衡的问题。

但ECMP会存在以下几点问题：

1)若两条象流经哈希映射计算后，分配到了同一条路径，将造成此路径负载过高，严重降低FCT，这称为哈希碰撞(Hash collision)。2)ECMP无法感知当前流属于象流或鼠流，鼠流的规模又远不及象流，因此当鼠流与象流共享链路时，鼠流往往被阻塞在象流后，这种情况称作鼠流线头阻塞(Head-of-line blocking)。3)当某条链路出现故障时，导致该链路吞吐量下降和拥塞发生，造成每条流在不同链路上传播的速率不同，引起数据包乱序。TCP为处理乱序，减少拥塞窗口，导致服务器侧的发送速率下降，严重降低FCT。

当前，针对数据中心网络环境的负载均衡策略有许多种，以下对一些经典的策略，从不同的调度粒度级别和调度决策方式介绍各自的特点。

1)RPS(随机包扩散)：RPS是一个实现极为简单的分布式数据包级别策略，无需任何额外的全局信息。交换机为每一个数据包简单地选择随机端口发送，象流和鼠流均被视作若干个数据包，从而公平竞争链路，避免鼠流线头阻塞。相比于ECMP，RPS极大程度地提高了TCP吞吐量、减少了流完成时间。但这种方法在非对称的网络中将出现比较严重的数据包乱序，同时完全随机的端口扩散策略缺乏有效约束，导致实际场景中负载均衡效果不够理想。

2)CONGA：CONGA是一个分布式flowlet级别的负载均衡方案。它以固定的时间间隔(一般为100μs～500μs)，划分流量为若干个流切片，并借助VXLAN技术在数据包内封装额外的拥塞信息，拥塞信息通过数据包，在叶子交换机之间传递，从而根据远端叶子交换机传回的全局拥塞反馈信息进行流切片调度，极为有效地避免数据包乱序，降低了FCT。这种方法采用流切片级别调度，作为流与数据包的折中，为今后的许多流切片调度方案打下了研究基础。但是此方案的拥塞反馈信息控制流时间较长，且仅限于leaf-spine的2层Clos网络拓扑，缺乏拓展性。

3)DiffFlow：DiffFlow区分调度流，当检测到象流时，通知SDN控制器，SDN控制器通知所有交换机针对此象流进行RPS调度，对鼠流依然使用默认的ECMP。DiffFlow对ECMP和RPS方案针对于象鼠流进行调度级别上的折中，有效降低FCT，但需要依赖SDN控制器的支持，是集中式的方案，一般来说集中控制器调度周期较长，无法有效应对突发流。