大型数据中心光电混合交换中的包调度算法研究

摘要

云计算应用的快速增长使数据中心里东西向流量远超南北向流量，对网络基础架构带来了前所未有的挑战。为应对大带宽和低延时的需求，光交换成为一种可行的支撑技术。与传统的电交换相比，光交换虽然提供了大带宽和低的链路延时，但是由于光交换机在进行建链和拆链时的时间消耗较长，因此为弥补这种长时间建拆链带来的时延开销，电缓存和包调度策略受到关注。本文基于光电混合交换的数据中心，从两方面着手为高性能、大容量、可扩展、节能的数据中心提供了一个新的交换调度解决方案。论文一方面对单个交换机的包调度算法和交换性能进行了研究，提出了时延差异化光包交换调度策略；另一方面针对多级交换网络设计了相应的包调度算法，并对网络的性能进行了分析。
　　为了满足多种多样新兴的云服务需求，数据中心需要针对每种应用提供不同的QoS保障。例如像实时视频流这类应用通常需要严格的时延和充足的带宽保障；诸如邮件服务这样的应用则对时延的要求并不严格，却十分看重对丢包率的保证。为了支持不同的服务，数据中心不同模块之间的数据传输和交换需要更加灵活多样。论文重点分析了Crossbar输入排队交换机中的时延差异化调度，并提出了两个启发式算法，在保障无丢包的前提下，尽最大努力满足预先定义的差异化端到端时延约束。算法的核心思想是根据时延约束矩阵将流量矩阵分解成多个带权值的配置矩阵，同时根据时延约束的紧迫程度来决定数据包传输的优先顺序。论文针对上述算法进行了大量的数值仿真实验，验证了算法机制的有效性和灵活性。
　　另外，由于数据中心所承载的应用越来越多元化，越来越具动态性，因此数据中心需要应对不均衡的流量需求。本文从数据中心多级交换的角度，研究在流量分布不均匀的三级Clos网络中，如何保证无丢包并通过均衡带宽利用率来最小化时延。为此，本文提出两个启发式算法。首先把负载均衡的思想应用到矩阵分解的过程中，将流量矩阵分解为多个带权值的互置矩阵；其次，充分利用配置矩阵中的空闲时隙，提出一种多跳策略，并通过该策略实现负载均衡，进而最小化交换时延。论文对上述两个算法进行了一系列的仿真实验，并对仿真结果进行了对比，进一步证明了所提多跳策略的高效性。

目录

声明

第1章 前言

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外相关技术研究现状

1.3 论文的主要贡献

1.4 论文的组织结构

第2章 数据中心的交换及包调度

2.1 单交换机的光包交换结构

2.2 数据中心多级交换网络架构

2.3 数据中心网络流量特征

2.4 数据中心包调度算法概述

2.5 本章小结

第3章 数据中心时延差异化光包交换调度

3.1 问题描述

3.2 系统模型

3.3 启发式算法设计

3.4 本章小结

第4章 数据中心多级交换网络的包调度设计

4.1 问题描述

4.2 系统模型

4.3 启发式算法设计

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 研究展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢