数据中心网络拥塞控制算法研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 6.18MB 46 页 15积分

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数据中心网络拥塞控制算法研究

摘要

随着云计算技术的提出和发展，数据中心网络逐渐成为一个研究热点。数据

中心网络作为云计算系统的基础设施，为上层的云计算应用提供可靠、高效的数

据通信、计算和存储服务。TCP 协议是数据中心网络中的主要传输协议，数据中心

网络内部的传输性能直接影响上层应用的效率，但经过研究发现在高带宽、低延

迟的数据中心网络中 TCP 传输协议存在拥塞问题，表现为吞吐量下降和延迟增加，

也就是普遍存在的 TCP Incast 问题。因此本文对 TCP Incast 问题展开了深入的研究

本文介绍了数据中心网络的体系结构、特点和通信模式。当前国内外研究者们

针对 TCP Incast 问题，从不同层次和角度提出了典型的解决方案，本文对这些方

案的算法进行描述和分析，进一步对它们的优势、局限性加以对比和总结。

随后基于以上工作，提出了一种能有效减轻 TCP Incast 问题的拥塞控制算法

FFDTCP(Fast Feedback Datacenter TCP)。FFDTCP 在TCP 基础上采用显式拥塞通知

机制，中间交换机和路由器利用 2个显式拥塞通知位通告 4种拥塞级别给发送端，

发送端根据拥塞信息所表示的拥塞级别快速调整拥塞窗口，减少拥塞，从而避免

瓶颈链路丢包导致的吞吐量急剧下降、延迟增加等问题。最后使用 NS2 进行了网络

模拟仿真实验。仿真实验结果表明，相比 TCP 协议，FFDTCP 可以保证较低的时

延和更大的吞吐量，有效得缓解了 TCP Incast 问题，提高了数据中心网络传输性

能。

关键词：数据中心网络 TCP Incast 拥塞控制 NS2 仿真

ABSTRACT

With the introduction and development of cloud computing, Data center network is

becoming a hot topic. Data center network as infrastructure of cloud computing system

to provide reliable and efficient data communication ,computing and storage services

for the upper cloud computing applications. TCP protocol is the main transport protocol

in data center network , the transmission performance of the data center within the

network directly affects the efficiency of the upper application, but studies have found a

reliable TCP transport protocol in high-bandwidth, low-latency data center network

exists in a performance problem, which is a common TCP Incast problem. Thus,we

conduct a depth research on TCP Incast problem in data center networks.

The paper describes the architecture, features and communication mode of the data

center network, then pointed out the main reason for TCP Incast problem.The current

domestic and foreign researchers for TCP Incast problem, proposed the typical solutions

of TCP Incast problem from different levels and angles, the paper makes a detailed

presentation,and analysis their advantages and limitations,then summaries these

programs.

Finally, based on above work,proposed a improved protocol FFDTCP(Fast

Feedback Datacenter TCP) protocol ,which can effectively reduce the TCP Incast

problem.The congestion control algorithm of FFDTCP based on ECN and used 2 bits

indicated 4 levels of congestion degree,then senders adjust congestion window

according to the congestion information to achieve the purpose of reducing congestion

and avoiding bottleneck link packet loss leads to a sharp decline in throughput problem .

NS2 simulation shows that the algorithm can guarantee low latency and high

throughput,effectively mitigate the TCP Incast problem and improve the transmission

performance of data center network.

Keywords: Data Center Networks, TCP Incast, Congestion Control ,

NS2 Simulation

目  录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论...............................................................................................................1
1 研究背景与意义..................................................................................................1
2 国内外研究现状..................................................................................................2
3 主要研究工作及结构安排..................................................................................4
第二章 TCP Incast 问题相关研究综述.....................................................................5
1 数据中心网络简介..............................................................................................5
1.1 数据中心网络体系结构及对比分析......................................................5
1.2 数据中心网络特点..................................................................................7
1.3 数据中心通信模式..................................................................................7
2 TCP Incast 问题研究............................................................................................8
2.1 问题描述..................................................................................................8
3 TCP Incast 问题现有的解决方案........................................................................9
3.1 解决方案概述..........................................................................................9
3.2 链路层的解决方案................................................................................10
3.3 传输层的解决方案................................................................................13
3.4 应用层的解决方案................................................................................17
3.5 其它解决方案........................................................................................18
4 解决方案对比分析............................................................................................20
5 本章小结............................................................................................................21
第三章 FFDTCP：快速反馈数据中心网络 TCP..................................................22
1 TCP Incast 问题原因分析..................................................................................22
2ECN 机制介绍....................................................................................................22
2.1 ECN 机制概述.......................................................................................22
2.2 ECN 机制设计.......................................................................................23
3 RED 算法介绍...................................................................................................25
3.1 RED 设计思想.......................................................................................25
3.2 RED 算法...............................................................................................26
4 DCTCP 协议介绍..............................................................................................27
5 DCTCP 算法分析..............................................................................................27
5.1 DCTCP 设计思想..................................................................................27
5.2 DCTCP 算法..........................................................................................28
5.3 DCTCP 算法理论分析..........................................................................28
6 FFDTCP 协议介绍.............................................................................................29
6.1 FFDTCP 设计思想.................................................................................29
6.2 FFDTCP 算法.........................................................................................29
6.3 FFDTCP 算法理论分析.........................................................................31
7 本章小结............................................................................................................31
第四章 FFDTCP 算法模拟实验结果及分析..........................................................32

1 NS2 仿真软件....................................................................................................32
1.1 NS2 仿真软件简介................................................................................32
1.2 NS2 软件结构........................................................................................32
1.3 NS2 仿真步骤........................................................................................33
2 仿真环境设置....................................................................................................34
3 仿真结果分析....................................................................................................35
3.1 吞吐量分析............................................................................................35
3.2 时延分析................................................................................................38
4 本章小结............................................................................................................39
第五章 总结与展望.................................................................................................40
1 总结....................................................................................................................40
2 展望....................................................................................................................41
参考文献..................................................................................................................42

第一章绪论

1.1 研究背景与意义

2007 年底，云计算作为一个新概念被正式的提出，这在历史上是一个革命性

的创举，云计算的提出同时预示着计算能力可以作为一种物质商品进行商品交换

和流通，和天然气、水电、粮食一样，方便的随即取用，价格便宜。截至当前，谷

歌、微软、IBM、亚马逊等IT 商界巨擘都推出了各自的云计算平台，同时把云计算

作为他们未来发展的最重要的决策之一[1-2]。互联网上有许多比较主要的应用比如

社交网络、同步存储和搜索引擎等，这些都是云计算的体现形式。因此，研究云计

算不仅可以跟随业界技术发展的趋向，而且还具有特别高的实际应用价值。

数据中心作为云计算的底层基础设施，它集中管理数以万计的服务器的物理

空间。伴随着云计算技术的发展和快速普及，数据中心也逐渐成为一个比较热门

的话题。数据中心由成千上万台服务器构成，能够为大型信息系统提供海量数据

处理和存储服务。商用服务器和以太网交换机作为当前数据中心的硬件，TCP/IP

协议作为内部服务器的传输协议。所有的服务器通过网络交换机进行连接，形成

一个大的通信网络，即数据中心网络（Data Center Networks，DCNs）[3]。近年来，

许多大型数据中心网络被建立起来，用于支持许多重要的在线服务，比如

Webpage Search、Online Game、Social Networks、分布式文件系统如谷歌文件系统

（Google File System，GFS)[4]、以及分布式存储系统如BigTable[5]和MapReduce[6]。

目前数据中心网络正快速地发展，其服务器的数量正以指数级单位的速率增长。

2006 年，Google 的几十个数据中心中已经有大约450000 个服务器在运行，而此

时Microsoft 数据中心服务器的数量每十四个月就增加一倍[7]。

随着数据中心网络进入了快速发展和扩展的时期，随后问题也相继出现。当

前，数据中心网络的上层应用严重受到数据中心网络性能的阻碍[8]，在 Google 的

调查报告中，如果网页检索结果的响应时间增加 0.5s，20%的收入就会受到损失。

与此同时 Amazon 的统计数据也指出1%的营业额[9]将会减少每当增加 0.1s 的响应

时间，数据中心网络的体系结构、路由交换效率和结点之间传输性能等多方面原

因决定面向云计算的数据中心网络的性能，而数据中心网络的上层应用要求数据

中心网络内部要保证其传输的可靠性，因此数据中心网络内部主要使用可靠的

TCP 传输协议。然而经过研究发现 TCP 可靠传输协议在广域网中表现很好，却在

数据中心网络中存在问题，主要集中在对突发数据流没有很好的容错性、丢包重

传的概率相对很高，影响服务质量；对短数据流延迟比较大、响应缓慢、带宽利用

率比较低，不能充分的利用数据中心网络高带宽的优点，造成带宽浪费。这就是

TCP Incast 问题[10-12]。作为云计算系统的底层基础设施，数据中心网络在为上层提

供服务的同时，其性能也影响着上层应用的服务质量。因此，为了满足云计算上

层应用和服务对于高吞吐量和低响应时间的需求，通过对数据中心网络拥塞控制

算法进行研究来解决 TCP Incast 问题，并给出有效的解决方案具有重要的科研意

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数据中心网络拥塞控制算法研究摘要随着云计算技术的提出和发展，数据中心网络逐渐成为一个研究热点。数据中心网络作为云计算系统的基础设施，为上层的云计算应用提供可靠、高效的数据通信、计算和存储服务。TCP协议是数据中心网络中的主要传输协议，数据中心网络内部的传输性能直接影响上层应用的效率，但经过研究发现在高带宽、低延迟的数据中心网络中TCP传输协议存在拥塞问题，表现为吞吐量下降和延迟增加，也就是普遍存在的TCPIncast问题。因此本文对TCPIncast问题展开了深入的研究本文介绍了数据中心网络的体系结构、特点和通信模式。当前国内外研究者们针对TCPIncast问题，从不同层次和角度提出了典型的解...

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