數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)資源管理與性能優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、數(shù)據(jù)中心是互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的基礎(chǔ)支撐平臺(tái)，是一個(gè)國(guó)家信息技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志，正成為各國(guó)新的戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)。數(shù)據(jù)中心雖然由來(lái)已久，但圍繞數(shù)據(jù)中心的研究方興未艾。特別是近年來(lái)，隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)和應(yīng)用的飛速發(fā)展，作為基礎(chǔ)平臺(tái)的數(shù)據(jù)中心也得到了快速發(fā)展，其組成、結(jié)構(gòu)、功能、規(guī)模及應(yīng)用模式等各方面正發(fā)生深刻的變革。網(wǎng)絡(luò)資源是數(shù)據(jù)中心的緊缺資源，深入研究分析現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)資源管理與性能優(yōu)化的技術(shù)和方法，對(duì)于揭示數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的基本工作

2、機(jī)理，提高數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率，節(jié)省成本和開銷，具有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。
　　地址自動(dòng)配置技術(shù)、傳輸控制協(xié)議、流量管理技術(shù)等是現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)資源管理與性能優(yōu)化的重要內(nèi)容，對(duì)提高數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率具有十分基礎(chǔ)和關(guān)鍵的作用。本文從數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的基本特征出發(fā)，以網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化為目標(biāo)，分別對(duì)以上三個(gè)方面開展了研究。全文的主要工作及創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　1.系統(tǒng)分析了現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)特征及其對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源管理的影響。網(wǎng)絡(luò)特征研究是進(jìn)行

3、網(wǎng)絡(luò)資源管理和性能優(yōu)化的基礎(chǔ)。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用模式、網(wǎng)絡(luò)流量及虛擬化等方面對(duì)現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的特征進(jìn)行了分析總結(jié)，并就這些特征對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源管理和性能優(yōu)化可能產(chǎn)生的影響和挑戰(zhàn)進(jìn)行了分析研究。主要結(jié)論包括：○1在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面，現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)正從傳統(tǒng)的樹形層次結(jié)構(gòu)，向胖樹結(jié)構(gòu)和非樹形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?！?在應(yīng)用模式方面，現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)正從傳統(tǒng)的企業(yè)自建、自主運(yùn)維的方式向公共云服務(wù)轉(zhuǎn)變，資源以動(dòng)態(tài)、彈性、按需的方式在不同的租戶和應(yīng)用之間分配

4、和共享使用?！?在網(wǎng)絡(luò)流量方面，集群通信是數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的典型通信模式；網(wǎng)絡(luò)流在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部分布不均勻，表現(xiàn)出局部性和動(dòng)態(tài)性。○4在網(wǎng)絡(luò)虛擬化方面，現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心普遍采用虛擬化技術(shù)，虛擬機(jī)作為資源分配和調(diào)度的基本粒度，為了支持資源的動(dòng)態(tài)分配，要求數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)為扁平的二層網(wǎng)絡(luò)且動(dòng)態(tài)可配置虛擬網(wǎng)?，F(xiàn)代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的這些特性，給網(wǎng)絡(luò)資源管理和性能優(yōu)化，如地址自動(dòng)配置、擁塞控制、流量調(diào)度等提出了新的挑戰(zhàn)。
　　2.深入研究了拓?fù)湎嚓P(guān)的數(shù)據(jù)中心

5、網(wǎng)絡(luò)地址自動(dòng)配置方法。近年提出的許多數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)其邏輯地址都是拓?fù)湎嚓P(guān)的，即邏輯地址本身包含了位置信息。拓?fù)湎嚓P(guān)的地址自動(dòng)配置的核心問(wèn)題是邏輯地址到物理地址的映射問(wèn)題，直觀上可轉(zhuǎn)化為圖同構(gòu)問(wèn)題。然而由于一般的圖同構(gòu)算法復(fù)雜度都相當(dāng)高，難以適用于大規(guī)模數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)前的解決方法仍主要基于圖同構(gòu)的基本理論，因而仍面臨性能、效率、容錯(cuò)性等方面的缺陷。本文首先針對(duì)一般的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提出了一種基于遺傳算法的容錯(cuò)地址自動(dòng)映射算法 GA-MA

6、P，然后針對(duì)當(dāng)前使用最為廣泛的樹形數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，提出了一種快速地址自動(dòng)配置算法 TREE-CONF。GA-MAP首先將地址映射問(wèn)題轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問(wèn)題，然后基于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性，采用改進(jìn)的遺傳算法加以解決。該算法除具有有效的計(jì)算性能外，還本質(zhì)地具有良好的容錯(cuò)特性，能夠?qū)崿F(xiàn)帶故障情況下的網(wǎng)絡(luò)地址自動(dòng)映射。TREE-CONF則主要針對(duì)當(dāng)前使用最為廣泛的樹形數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提出了一種快速的地址自動(dòng)映射算法。與一般通用的網(wǎng)絡(luò)地址自動(dòng)映射算法相比

7、，該算法具有更好的計(jì)算性能，對(duì)百萬(wàn)節(jié)點(diǎn)規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，能夠在幾秒內(nèi)完成地址映射。
　　3.創(chuàng)新提出了超時(shí)/超時(shí)代價(jià)感知的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。最近的研究表明，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的許多應(yīng)用面臨某種軟實(shí)時(shí)限制，超過(guò)這種限制將影響到用戶體驗(yàn)
　　進(jìn)而影響投資回報(bào)。而傳統(tǒng)的TCP協(xié)議是超時(shí)無(wú)關(guān)的，直接將其應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)易引發(fā)超時(shí)、擁塞等，進(jìn)而導(dǎo)致低效。針對(duì)這一特性，本文首先提出了一種數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)超時(shí)感知的傳輸協(xié)議DA-TCP。DA-TCP

8、根據(jù)流的超時(shí)時(shí)限調(diào)節(jié)流的發(fā)送速率，從而最大限度滿足超時(shí)敏感流的傳輸需求。但有時(shí)我們或許更關(guān)心流的超時(shí)代價(jià)，在此情況下，如何合理分配網(wǎng)絡(luò)資源以使得流的總的超時(shí)代價(jià)最小成為新的研究課題。為此，本文進(jìn)一步提出了一種超時(shí)代價(jià)感知的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議CA-TCP。CA-TCP根據(jù)流的超時(shí)代價(jià)和網(wǎng)絡(luò)擁塞程度，動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)送速率，仿真結(jié)果表明，與其他協(xié)議相比，CA-TCP通常具有最小的超時(shí)代價(jià)。
　　4.分別設(shè)計(jì)了基于流調(diào)度和VM遷移的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)流量

9、平衡方法。數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)流的數(shù)目巨大。大量的流并發(fā)流經(jīng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，極易發(fā)生流量不平衡，導(dǎo)致?lián)砣?、丟包和網(wǎng)絡(luò)利用率降低。同時(shí)，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)高帶寬、低延遲、高吞吐率及以老鼠流為主的特性給網(wǎng)絡(luò)流的調(diào)度帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。針對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)流的特點(diǎn)及對(duì)流調(diào)度的不同需求，分別設(shè)計(jì)了一種基于流調(diào)度的流量平衡方法SFTB和基于VM遷移的流量平衡方法NVMS。前者利用數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的多路徑特性及TCP的擁塞反饋機(jī)制，能夠在RTT級(jí)實(shí)現(xiàn)流調(diào)度，在不同的傳輸路徑分配和平