Fat-tree网络中节能业务流量分配策略研究

摘要

全球电力资源日益紧张的情况下，数据中心的数量和交换设备电力消耗量依然呈增长态势。一座大型数据中心的交换设备耗电量十分惊人，然而长期处于闲置状态的交换设备利用率较低，但其闲置状态的电力消耗却与满负荷状态下的电力消耗相差无几。因此，针对数据中心的交换设备节能策略的研究备受瞩目。本文针对胖树网络结构中单多播混合业务并存的应用场景，以降低网络能耗为目标，提出了两种交换机节能流量分配机制。 单独针对交换机节能的算法对网络交换性能并不友好，而且业务以分组为单位路由会在目的交换机端产生分组乱序，因此本文基于胖树(Fat-tree)拓扑结构提出了一种负载自感知式准无乱序路由节能算法。这部分的主要工作有： 交换机队列组织结构在虚拟输出队列(VOQ,Virtual Output Queue)基础上，以分组的目的交换机为分类依据，增加了虚拟交换机队列(VSQ,Virtual Switch Queue)，在网络流量模型未知的情况下，可通过监测虚拟交换机队列长度感知两交换机间的业务量大小。准无乱序路由算法在业务量基本不变的情况下保证分组达到目的交换机时基本无乱序。网络中的节能模块通过获取交换机中队长信息，对比动态开关门限，实时控制交换单元的开启与关闭，兼顾网络性能的同时，提高交换机复用比率。开关算法中还加入开关防抖动机制，以防止交换机频繁的开启与关闭。采用Bernoulli和Bursty业务模型，对单播和多播混合业务进行不同比例设置进行算法仿真，结果表明该算法在单播与多播业务混合情况下关闭了较多闲置的交换机，与不加节能算法的网络相比有明显节能效果。 由于网络中负载均衡情况与节能效果紧密关联，本文提出了基于负载均衡的节能路由算法。该算法摒弃单一的网络能耗最小化的目标，在最优化目标中加入了负载均衡度与交换机能耗共同作为衡量路径是否合理的参数。主要内容有： 阐明了负载均衡与网络节能之间的关系，设计了一种负载均衡度计算方法，通过节能系统中链路负载均衡度计算模块与最优化路由计算模块，为分组选择一条合适的路径。为了避免选择负载较重的链路，在路由计算模块中加入了端口队列长度阈值。开关算法为了满足三层胖树结构中的连通状态，核心层交换机的开启关闭还参考了聚合层交换机及其端口的开关状态，上下两层交换机间的开关动作有较大的联动性。通过模仿网络中流量模式，进行了仿真，从多个参数结果说明了本算法在平衡网络节能与负载均衡方面有较为良好的结果。

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