基于云數據中心光交換調度與路由算法研究與實踐

羅華杰

摘要：云服務多樣化、便捷化以及規模化發展的趨勢，為數據中心的網絡性能優化帶來了新的挑戰。本文圍繞數據中心網絡性能優化相關的交換調度與路由算法設計問題提出兩種基于輸入隊列（IQ：Input ?Queue）的光交換調度算法SDF（Stringent Delay First）和 m-SDF（m-order Stringent Delay First）。研究兩種數據中心網絡模型：多重獨立式數據中心網絡MI-DCN（

Multiple Independent DCN）和一體化分布式數據中心網絡ID-DCN（Integrated Distributed ?DCN）。將軟件定義網絡（Software Defined Network：SDN）的概念引入數據中心，設計傳輸路由算法實現數據中心資源負載均衡。

關鍵詞：數據中心，光交換調度， SDN，路由算法

引言

云計算、智慧城市、物聯網以及大數據的快速發展給數據中心的建設和管理帶來極大的沖擊，推動數據中心向分布式、一體化、低功耗以及智能化模式轉變。數據中心為云服務提供豐富的存儲和計算資源，海量的云IP流量對數據中心的運營管理提出了更高的要求和目標。

數據對傳輸延遲要求的不同，使得在數據交換過程中需滿足其差異化時延需求。而且，隨著云服務不斷普及，數據業務量大幅上升，云IP 數據呈現出多樣性和高變化性特征。為了實現數據中心高速傳輸并減少時延，當前的研究一般采用crossbar光交換結構作為Core交換器，并在Core交換器和To R（Top-of-Rack）交換器之間采用高速光連接。

光交換調度算法研究進展

基于差異化服務調度研究

目前針對光網絡調度的研究主要基于逐個時隙方式進行調度和基于分組進行調度。采用輸入隊列IQ交叉開關光交換器，從滿足差異化時延需求的角度出發，根據數據中心光交換流量調度模型，建立差異化時延調度的數學模型，提出系統優化目標和解決思路。然后根據數學模型設計兩個差異化時延調度算法SDF和 m-SDF，實現

100%投遞率以及最大時延滿足率。

本文基于N×N ?輸入隊列緩沖（IQ）的Crossbar光交換機，對具有差異化時延需求的數據包提供合理的包調度策略，如圖1所示，輸入端設置緩沖區，在T時刻內聚集的數據包根據輸入輸出端口不同，具有相同輸出端的數據包存儲在特定的VOQ隊列緩沖區中。

每個輸入端口的緩沖區存放N組數據，對應N個輸出端口，根據Crossbar的限制，為了避免沖突，每個輸入/輸出端口僅僅對應一個輸出/輸入端口。這樣在輸入端匯集的數據包形成一個一一對應輸入輸出端口的流量矩陣C（T）。調度問題實際上可以理解為通過調度算法將流量矩陣分解為不同的配置矩陣進行傳輸的過程。

圖2描述了一個簡易的差異化時延處理的光交換機系統模型。在這個2×2的Crossbar交換機模型中。

光交換調度過程

光交換調度一般分為若干階段，每個階段需要完成系統特定的任務，在保證傳輸質量的前提下完成數據的傳輸任務。

根據時隙分配技術（TSA：Time slot Assignment），假定時間分成了一個個時隙，并且每個時隙只傳遞一個數據包。根據時隙原則，交換機以流水線的方式工作 ， 交換 機內 部的數 據包調 度統共 分為三個階 段：數據累積 （ traffic accumulation）、調度（scheduling）以及交換（switching）過程。

結束語

本文圍繞數據中心網絡中的光交換調度、資源配置模型提供、負載均衡問題展開了研究，為了解決數據中心光交換數據時延需求不同的問題，考慮流量的差異化時延需求，提出兩個基于Crossbar 的調度算法SDF和m-SDF。為了提高數據中心資源利用率，引入軟件定義網絡（SDN）的思想管理整個數據中心網絡的信息和資源，實現數據中心網絡資源的負載均衡。

參考文獻：

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