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面向带宽碎片最小化和QoS保障的数据中心网络流量调度算法

唐宏 王欣欣 刘亦星

唐宏, 王欣欣, 刘亦星. 面向带宽碎片最小化和QoS保障的数据中心网络流量调度算法[J]. 电子与信息学报, 2019, 41(4): 987-994. doi: 10.11999/JEIT180466
引用本文: 唐宏, 王欣欣, 刘亦星. 面向带宽碎片最小化和QoS保障的数据中心网络流量调度算法[J]. 电子与信息学报, 2019, 41(4): 987-994. doi: 10.11999/JEIT180466
Hong TANG, Xinxin WANG, Yixing LIU. A Traffic Scheduling Algorithm for Bandwidth Fragmentation Minimization and QoS Guarantee in Data Center Network[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2019, 41(4): 987-994. doi: 10.11999/JEIT180466
Citation: Hong TANG, Xinxin WANG, Yixing LIU. A Traffic Scheduling Algorithm for Bandwidth Fragmentation Minimization and QoS Guarantee in Data Center Network[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2019, 41(4): 987-994. doi: 10.11999/JEIT180466

面向带宽碎片最小化和QoS保障的数据中心网络流量调度算法

doi: 10.11999/JEIT180466
基金项目: 长江学者和创新团队发展计划(IRT_16R72)
详细信息
    作者简介:

    唐宏:男,1967年生,教授,研究方向为计算机网络、移动通信

    王欣欣:女,1994年生,硕士生,研究方向为数据中心网络、软件定义网络

    刘亦星:男,1992年生,硕士生,研究方向为数据中心网络、软件定义网络

    通讯作者:

    王欣欣 17782358734@163.com

  • 中图分类号: TP393

A Traffic Scheduling Algorithm for Bandwidth Fragmentation Minimization and QoS Guarantee in Data Center Network

Funds: The Changjiang Scholars and Innovative Research Team Program in University (IRT_16R72)
  • 摘要:

    随着数据中心网络流量的迅速增长,如何提高数据中心网络性能和服务质量成为了研究热点。然而现有的流量调度算法在网络负载加大时,一方面会导致网络带宽碎片化从而使得网络吞吐量降低,另一方面忽视了流量应用需求导致网络服务质量较差。为此,该文提出一种面向带宽碎片最小化和QoS保障的动态流量调度算法,算法综合考虑了带宽敏感的大流、时延与丢包敏感的小流的不同需求,首先根据待调度流的源地址和目的地址建立最短路径集,其次从中筛选出满足待调度流的带宽需求的所有路径,然后根据路径剩余带宽信息和小流应用需求情况为每条路径建立权重函数,最后根据权重函数值利用轮盘赌算法选择转发路径。实验仿真结果显示,与其它算法相比,所提算法降低了小流的丢包率和时延,同时在网络负载较大时提升了网络吞吐量。

  • 图  1  算法系统架构图

    图  2  Fat-Tree拓扑结构图

    图  3  不同调度算法的吞吐量随负载变化图

    图  4  不同调度算法的小流平均往返时延对比

    图  5  不同调度算法的小流平均往返时延偏差对比

    图  6  不同调度算法的小流丢包率对比

    表  1  FMBA算法伪代码

    $\begin{array}{l}\left( 1 \right)\;\;\;\;\;\;{\rm for\;each\;path} \in {K_{\rm src \to dst}}\;{\rm do}\\{\rm{}}\\\left( 2 \right)\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\rm if}\;{B_{\rm \min }} \cdot \mu > {B_n}\\{\rm{}}\\\left( 3 \right)\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\rm selectedPath \leftarrow {\mathop{\rm path}\nolimits} .\\{\rm{}}\\\left( 4 \right)\;\;\;\;\;\;\rm return\;selectedPath\end{array}$
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    表  2  BFrag算法伪代码

    $\begin{array}{l}\left( 1 \right)\;\;\;\;\;\;{\rm for\;each\;path} \in {K_{\rm src \to dst}}\;\rm do\\{\rm{}}\\\left( 2 \right)\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\rm if}\;{B_{\rm \min }} > {B_{\rm n}}\\{\rm{}}\\\left( 3 \right)\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\rm candidatePath.add(path);\\{\rm{}}\\\left( 4 \right)\;\;\;\;\;\;\rm if\;candidatePath\;is\;empty\;then\\{\rm{}}\\\left( 5 \right)\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;k + = 1\\{\rm{}}\\\left( 6 \right)\;\;\;\;\;\;\rm for\;each\;p \in candidatePath\;do\\{\rm{}}\\\left( 7 \right)\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\rm weight}1 \leftarrow \left( {{B_{\rm \min }} \cdot \mu - {B_n}} \right)/B\\{\rm{}}\\\left( 8 \right)\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\rm weight}2 \leftarrow ({B_{\rm \max }} - {B_{\rm \min }})/B\\{\rm{}}\\\left( 9 \right)\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\rm weight \leftarrow weight1 \cdot \alpha + weight2 \cdot \left( {1{\rm{ - }}\alpha } \right)\\{\rm{}}\\\left( {10} \right)\;\;\;\;\;\;\;\;\;\rm totalProbability + = 1/weight\\{\rm{}}\\\left( {11} \right)\;\;\;\;\;{\rm for\;each}\;p \in \rm candidatePath\;do\\{\rm{}}\\\left( {12} \right)\;\;\;\;\;\;\;\;\;\rm probabilty \leftarrow totalProbability/weight\\{\rm{}}\\\left( {13} \right)\;\;\;\;\;\;\;\;\;\rm cumulativeProbabilty + = probabilty\\{\rm{}}\\\left( {14} \right)\;\;\;\;\;\;\;\;\;\rm while\;cumulativeProbabilty \ge fslice\;do\\{\rm{}}\\\left( {15} \right)\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\rm selectedPath} \leftarrow p\\{\rm{}}\\\left( {16} \right)\;\;\;\;\;\rm return\;selectedPath\end{array}$
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    表  3  ${μ} $取不同值时算法结果对比

    $\mu $取值0.60.70.80.9
    平均吞吐量(Gbps)7.8217.7566.6016.416
    标准化吞吐量0.4880.4840.4130.401
    小流时延(ms)14.4312.6917.5010.18
    小流时延偏差(ms)19.2714.8210.6412.82
    小流丢包率(‰)0.1270.0940.1040.115
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    表  4  ${α}$取不同值时算法结果对比

    $\alpha $取值平均吞吐量
    (Gbps)
    标准化吞
    吐量
    小流时延(ms)小流时延
    偏差(ms)
    小流丢
    包率(‰)
    0.16.7650.42317.9310.090.142
    0.26.7780.42426.8810.810.280
    0.36.5270.40814.7310.130.135
    0.46.6720.41728.3910.830.176
    0.56.9450.43480.5514.790.091
    0.67.0190.43820.1315.490.129
    0.77.1000.44320.0716.330.200
    0.87.0950.44321.2414.810.164
    0.97.2280.45225.2016.450.221
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    表  5  算法运行时间结果对比(s)

    发送大流数目12345
    FMBA运行时间198.34258.81300.12349.97403.88
    BFrag运行时间200.56246.20295.54345.68391.74
    Hedera运行时间201.39255.50298.81343.10392.15
    ECMP运行时间141.58190.96239.35286.76335.00
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-05-16
  • 修回日期:  2018-11-16
  • 网络出版日期:  2018-12-04
  • 刊出日期:  2019-04-01

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