可扩展交换网络的负载均衡技术研究

As the core of network devices, the switch fabric is required to develop towards larger capacity and bandwidth, higher performance and scalability, as well as more sophisticated QoS assurance to meet demands of new services and applications in data center network. Clos-network switches are considered to be an effective solution to building large capacity switches because of their features in modularity, scalability and non-blocking. Problems on current dispatching algorithms, such as complicated scheduling process, high communication overhead between stages, and lack of multicast scheduling or QoS assurance, limit the scalability and application of multi-stage networks. Combining the multipath feature in the structure of Clos-network and the load balancing strategy, the key issue of dispatching algorithms will be systematically explored. The main research work can be summarized as follows. We can get the influence rule of related factors on the Clos-networks’ performances through the study on the influence of different buffer size, scheduling mechanism, the granularity and the policy of load balancing on the Clos-networks’ performance. Under the direction of the above rule, we will develop new high performance dispatching algorithms, a scalable and fair dispatching algorithm for mixed unicast and multicast traffic, a deadline-aware and bandwidth guaranteed dispatching algorithm for multi-priority traffic, and a fault adaptive dispatching algorithm based on dynamic load balancing strategy. The project can improve the dispatching algorithm system of Clos network and provide scientific basis and theoretical foundation for the application of this structure in data center networks.

交换架构作为网络设备的核心，需要向更大容量、更优性能、更好的可扩展性和更精细的QoS保障等方向发展，以满足数据中心网络各种新型业务和应用的要求。Clos结构交换网络具有模块化、可扩展、无内部阻塞的优点，被认为是未来大容量分组交换网络的有效解决方案。目前该结构下的调度算法存在复杂度高、级间通信开销大的问题，并且缺乏对组播业务、多优先级业务的支持，限制了多级交换网络的应用。本项目将基于Clos网络结构上的多路径优势，运用负载均衡策略，对其调度算法关键问题展开系统研究。主要研究内容包括：探索缓存规模、调度机制、均衡粒度、均衡策略等对Clos交换网络主要性能的影响规律；在此基础上，提出可扩展的、公平的单组播集成调度算法，对截止时延敏感的、具有带宽保障功能的多优先级调度算法以及基于动态负载均衡策略的自适应调度算法。本项目的实施可完善Clos结构交换网络的调度算法体系，为该结构的应用提供科学依据。

模块化、可扩展的Clos交换网络具有多路径的优势，灵活运用负载均衡策略可显著改善交换网络性能。当Clos交换网络在提供更细颗粒度的多类型业务调度、具有故障抵御能力的动态调度以及公平的组播调度服务时，需要妥善处理资源限制与性能优化之间的关系。围绕上述问题，本项目主要完成如下四部分内容：. 1. Clos交换网络的关键性能研究。推导了Clos多级交换网络在给定输入负载、端口数和缓存规模时吞吐率和时延性能的计算公式，计算了无信元丢失所需的重排缓存规模，分析了给定重排缓存规模时获取最优性能所需的配置，并总结了多级交换网络缓存设计的一般规律与要求。仿真分析表明，所提理论模型具有较高准确性，为设计与实现大容量可扩展多级交换网络提供了重要的参考依据。. 2. 可扩展的、公平的单组播集成调度算法研究。提出了适用于Clos多级交换网络不同结构的单组播集成调度算法。所提算法充分利用了多级交换网络结构的特点，降低了对系统存储和队列管理的要求，可灵活地适应单组播业务流量的变化。. 3. 对截止时延敏感的、具有带宽保障功能的多优先级调度算法研究。提出了共享专用缓存管理方案和分层加权匹配调度算法，有效地降低了不同类型业务之间的影响；提出了适用于SDN网络的五级调度算法，可提供更细颗粒度的服务质量区分，同时不增加实现复杂度；提出了适用于并行混合SRAM/DRAM结构的截止时延敏感的动态缓存管理方案，解决了高速共享缓存交换中带宽利用率低和流数限制的问题。. 4. 基于动态负载均衡策略的故障自适应调度算法研究。分析了冗余链路在星载多级交换网络故障抵御方面的作用，推导了以冗余链路数为参数的交换网络吞吐率、时延性能以及重排缓存规模的计算公式，总结了冗余链路设计需遵循的一般规律和要求。