突发业务下的网络调度策略及应用

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随着网络中多媒体等应用的迅速增长,网络业务突发特性越来越强。在核心网中,业务经过汇聚,其平均速率在较长的一段时间内保持平稳,但是在短时间内却有明显波动。在突发业务下,静态业务调度方法虽然简单但会产生带宽浪费,而动态调度方式虽然可以适应突发的需求但是会导致较高的计算复杂度。因此,需要提出一种新的调度策略解决突发业务问题。为此,本文提出了偏射增强的准静态调度策略来提高网络性能。该策略先在所有的网络核心设备之间建立有带宽保证的连接,我们称为虚电路(VC),以满足核心设备之间的通信均值。由于突发业务的存在,VC时而发生业务溢出,时而出现带宽空闲。因此,我们在此基础上引入偏射机制,让那些有空闲带宽的VC来服务那些正处于突发状态的VC的溢出业务,从而实现不同VC之间带宽的统计复用。容易证明,网络中VC数量越大,该方案越能体现出其优越性。为了验证该策略的有效性,本文将其运用于两种典型的突发场景中。首先,我们利用偏射增强的准静态调度策略提高核心网交换机的性能。在核心交换机中,高清视频等网络应用的日益普及使业务突发性变强。目前核心交换机中较为流行的业务调度算法为Birkhoff-von-Neumann(BvN)准静态调度策略。虽然该策略能在平稳业务下能达到100%的吞吐量以及有界的端到端延时,但在突发业务下其性能却会变得很差。本文将偏射机制引入BvN交换机,提出了Deflection-enhanced BvN(D-BvN)调度策略。我们建立了基于流的理论分析模型以及仿真模型,对D-BvN交换机进行了性能估计。我们的结果表明,在缓存数量不变的情况下,偏射机制不仅可以显著降低交换机的丢包率和端到端延迟,而且并不增加交换机的软硬件复杂度。虽然,偏射会在输出端口带来包的乱序问题,但本文的分析模型证明包的乱序概率可以限制在较小范围。然后,我们把偏射增强的准静态业务调度策略用于解决数据中心交换网络中的业务突发问题。数据中心网络业务具有很强的突发特性,而且其业务分成了需要带宽保证的付费业务和只需尽力服务的免费业务。基于这样的现状,本文提出利用偏射实现一种业务的区分服务策略。我们根据付费用户的峰值业务速率给它们提供带宽保证的VC。当付费业务速率处于谷值时,尽力传送免费业务;当付费业务处于峰值时,将免费业务偏射到其它VC进行服务。由于付费用户在网络中具有高优先级,不会发生乱序或者丢包;相反免费业务则可能出现乱序或者丢包,从而实现区分服务。我们的理论分析和仿真结果表明,所提策略确能有效保证付费用户的服务质量,同时能增加系统的带宽利用率,为更多的免费用户提供尽力服务。本文的创新点如下:(1)偏射增强的准静态调度机制的主要思想是利用那些由于突发而未能被利用的空闲带宽去服务那些溢出业务。因此,该策略可以在没有引入额外带宽的情况下,有效提高系统吞吐量以及降低延时和延时抖动。(2)偏射增强机制是一个分布式的机制。在运行过程中,每个交换机端口或者数据中心中每个边缘交换机只需要知道本地信息便可进行调度。(3)偏射增强机制没有引入很大的额外硬件需求,同时其在线计算复杂度仅为O(1)。
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