摘 要：嵌入軟件定義網絡（software defined network，SDN）解耦分離架構體系的數據中心網絡（data center network，DCN）雖然可為分布式網絡控制提供諸多便利，但在應對隨機突發數據流時依然面臨數據流擁塞、時延等一些列服務質量（quality of service，QoS）問題。針對該問題提出一種全局自適應路由（adaptive routing technology，ART）算法，助力全網鏈路以較低的代價成本平滑地轉發隨機突發模式下的大規模數據流業務。算法通過設計調用函數提取信源信宿對的所有鏈路，并引入科學的評估機制對可用路由開展排序，最終篩選出代價最低的全局最佳路由。考察結果證明，相對于主流研究方案，ART技術對于提升QoS具有良好的表現。尤其在應對大規模數據流轉發時這樣的優勢愈加顯著。

關鍵詞：數據流；自適應；評估；代價

0 引言

SDN 技術因解耦轉發層和控制層的優勢使其備受歡迎，被廣泛部署在 DCN 中開展數據流的調度。然而由于用戶側業務需求的多樣性，軟件定義數據中心網絡（software defined - data center network，SD-DCN）中的數據流呈現出隨機突發特性。為使數據流能夠在全網得以順利路由而不影響 QoS，業界展開了一系列研究。文獻 [1] 主張在信源交換機和信宿交換機中間尋找跳數最低的路由視為數據流承載鏈路。此方案雖然降低了數據流業務的時延代價，但卻忽略了當信源交換機和信宿 交換機之間有多個路徑的情形。此時其他路徑處于顯示狀態，這顯然有悖于全網數據流均衡調度的目標。文獻 [2] 主張為數據流設計一個模式評估算法來尋找可參與分流該數據流的待用路由以防止出現鏈路擁塞。但是該算法并未考慮到鏈路狀態多變的情形，而導致某些待選鏈路的帶寬可能不足以承載該數據流。文獻 [3] 對前面兩個研究方案做了改進，提出了在剩余通道中選擇路由來承載該數據流。然而該方案僅僅只在拓撲管理階段考慮在線監測鏈路狀態。事實上在實際承載數據流局向時，鏈路狀態未必和此前保持一致。這導致所計算出來的路由不一定具備全局性 ^[4]。基于此，本文構思一種綜合考慮全網鏈路狀態而實時作出決策的 ART 算法。

1 算法原理

基于 SD-DCN 架構的 ART 算法部署在管控分離 ^[5]的控制層和轉發層。邏輯上控制層位于轉發層的上層。該控制層包括全網狀態監測單元、流表單元、鏈路感知單元。其中，鏈路感知單元又由鏈路測試子單元和鏈路選擇子單元。轉發層包括流轉發代理單元和轉發設備單元。在實施數據流調度控制時，首先由控制層中的監測單元獲得各個節點的連接狀態來確定出全網的拓撲。再由鏈路感知單元運行 ART 算法來計算出全局最佳路由。控制層為鏈路感知單元提供算法運行期間所需要的數據流實施參數。流表單元根據所獲得的最佳路由信息通知與此路由通道相關的交換節點執行流表項 ^[6] 的更新操作。

4 算法測試

為考察 ART 算法優勢，將算法方案運行在 Mininet 平臺上與文獻 [1]、文獻 [2]、文獻 [3]的研究方案進行對比。在平臺上創建五個交換機節點分別為 SW1、 SW2、SW3、SW4、SW5。其中，SW1 和 SW2 之間的時延和帶寬分別為 4 ms、200 M；SW2 和 SW3 之間的時延和帶寬分別為 6 ms、300 M；SW3 和 SW4 之間的時延和帶寬分別為 8 ms、200 M；SW4 和 SW1 之間的時延和帶寬分別為?12ms、100 M；SW1 和 SW5 之間的時延和帶寬分別為 2 ms、200 M；SW5 和 SW3 之間的時延和帶寬分別為 2 ms、200 M。常數系數 ^[12] 取值 0.6。通過考察每種算法下的系統吞吐量和數據流分組路由的平均時延成本來總結算法的表現。

圖 2 所示曲線展示了四種算法在應對不同數據速率時表現出來的吞吐量差異情況。從曲線走勢不難看出在數據速率低于 60Mb/s 時四種算法下的吞吐量基本無差異，算法性能趨于一致。隨著數據速率持續增加，算法的差異性逐漸呈現。文獻 [1] 和文獻 [2] 算法表現依然接近，且算法性能最弱。造成此現象是緣于這兩種算法方案忽略了數據流隨機突發特征可能引發全網帶寬狀態多 變。這將導致數據流被轉發到那些閑置帶寬資源有限的鏈路上進行路由，引起鏈路擁塞甚至可能中斷傳輸。文獻 [1] 和文獻 [2] 算法方案中欠缺考慮的因素在文獻 [3] 和 ART 算法中得到彌補。因此系統吞吐量顯著高于文獻 [1] 和文獻 [2] 算法方案下的吞吐量。但相比之下，本文構思的 ART 算法在吞吐量方面表現稍顯優勢。這是由于 ART 算法額外考慮到了鏈路時延狀態對轉發數據流的影響。這樣的設計可以顯著壓縮數據流在轉發期間的排隊等待時長。這樣的優勢是文獻 [3] 所不具備的。

圖 3 所示曲線展示了不同算法下的數據流傳輸時延成本。從曲線走勢可見文獻 [1] 時延成本最高。這是由于算法僅將路由跳數作為唯一目標，一味地尋找跳數頻次最低的路由來轉發數據流。當全網發起隨機突發規模的數據流局向時極有可能導致跳數頻次最低的路由同樣存在擁塞的情況。顯然這將導致時延成本增加。文獻 [2] 通過遍歷每個路由的帶寬狀態來執行數據流的轉發。由于考慮因素相對較多，故在路由可行性方面比前者占優勢。文獻 [3] 將剩余鏈路的可用閑置帶寬納入數據流轉發方案的考慮范圍，有效規避數據流轉發期間遭遇擁塞的情形。因此相比之下，表現出的數據流轉發時延成本更低。但即便如此，該算法依然可能存在所選路由方案存在較大的時延。因為該算法僅僅從閑置帶寬角度來規劃所選路徑。而 ART 算法方案考慮相對周全。同時兼顧了執行數據流轉發的路由可用帶寬資源以及路由時延代價對數據流傳輸的影響力。決策出的最佳路由具備良 好的全局性。因此 ART 算法在本組測試中表現最佳。

5 結語

針對軟件定義數據中心網絡提出的自適應路由技術旨在解決數據中心網絡發起隨機突發數據流的情形下全網鏈路轉發數據流存在擁塞、高時延等一系列異常 QoS 問題。算法在總結傳統研究方案的基礎上充分考慮了鏈路帶寬和時延狀態對數據流轉發的影響力，通過引入科學的評估機制決策出全局最佳路由。測試結果表明，所設計的算法方案具有良好的自適應能力，能夠提供良好的 QoS 保障。

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(注：本文轉載自《電子產品世界》雜志2022年9月期)