數(shù)據(jù)中心中的一種可擴展和高效的可靠組數(shù)據(jù)傳輸方法.pdf

1、可靠組數(shù)據(jù)傳輸是數(shù)據(jù)中心中的一個重要傳輸模式。在可靠組數(shù)據(jù)傳輸中，數(shù)據(jù)源需要可靠的把數(shù)據(jù)分發(fā)給一個接收端的集合?？煽拷M數(shù)據(jù)傳輸被廣泛的應用于現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)中，如GFS、Amazon EC2和Windows AZure。可靠組數(shù)據(jù)傳輸對這些數(shù)據(jù)中心中的系統(tǒng)的性能起著至關重要的作用。
　　 在數(shù)據(jù)中心中，可能同時存在大量的可靠組數(shù)據(jù)傳輸，而且每個傳輸組可能包含大量的接收者。這些可靠組數(shù)據(jù)傳輸還為數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡貢獻了大量的流量。因此，

2、數(shù)據(jù)中心中的可靠組數(shù)據(jù)傳輸需要具有可擴展性和高帶寬利用率。
　　 現(xiàn)有的方法不適用于在數(shù)據(jù)中心中進行可靠組數(shù)據(jù)傳輸，因為它們或者不具有可擴展性（如可靠IP組播），或者不能高效的利用網(wǎng)絡帶寬（如基于終端的覆蓋網(wǎng)絡系統(tǒng)）。另一方面，現(xiàn)有的方法也沒有針對數(shù)據(jù)中心的結(jié)構(gòu)特點進行數(shù)據(jù)傳輸，不能充分的利用數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的帶寬。
　　 近年來，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的發(fā)展有兩個明顯的趨勢:1）現(xiàn)代的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)（如BCube、CamCub

3、e）都為可靠組數(shù)據(jù)傳輸提供了多棵邊不相交的Steiner樹;2）網(wǎng)絡設備提供了數(shù)據(jù)包緩存能力，因為它們集成了CPU和內(nèi)存。這些網(wǎng)絡發(fā)展的趨勢為數(shù)據(jù)中心中的可靠組數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設計提供了新的機會。
　　 通過探索這些數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡發(fā)展趨勢所提供的設計空間，本文提出Datacast來解決數(shù)據(jù)中心中的可靠組數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。Datacast是一個集中式設計的系統(tǒng)，它的目標是在數(shù)據(jù)中心中提供一個可擴展的和具有高帶寬利用率的可靠組數(shù)據(jù)傳輸服務

4、。Datacast包括了下列主要工作:
　　 1.針對現(xiàn)有的方法不能在較短時間內(nèi)計算出數(shù)據(jù)中心中足夠多的邊不相交的Steiner樹的問題，本文設計了一個多棵邊不相交的Steiner樹算法。該算法首先根據(jù)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)特點構(gòu)造多棵邊不相交的生成樹，再對其進行剪枝，最后使用BFS(Breadth First Search)修復被網(wǎng)絡故障破壞的Steiner樹。該算法具有較低的時間復雜度，并且可以在存在網(wǎng)絡故障的情況下計算出足

5、夠多的邊不相交的Steiner樹。
　　 2.為了實現(xiàn)每一棵Steiner樹上的高效的可靠組數(shù)據(jù)傳輸，本文提出了一個單速率組播擁塞控制算法。通過借助網(wǎng)絡設備的數(shù)據(jù)包緩存能力，Datacast擁塞控制算法首次提出以重復請求包作為擁塞控制信號，使用基于速率的AIMD（Additive Increase and Multiplicative Decrease）方法進行組播的擁塞控制。Datacast擁塞控制算法有效的同步了接收者，幫助

6、Datacast取得了可擴展性和高帶寬利用率。Daacast擁塞控制算法簡單有效的解決了網(wǎng)絡中的經(jīng)典的單速率組播擁塞控制問題。
　　 3.本文對Datacast擁塞控制算法進行了數(shù)學建模。本文提出的數(shù)學模型主要針對Datacast擁塞控制算法的基本方法AIMD進行分析。通過對這個模型的分析，本文提出了兩個定理，分別描述了Datacast對緩存的需求和其帶寬利用率。本文發(fā)現(xiàn)，當緩存大小大于一個很小的閾值（如125KB）時，Data

7、cast可以在全速率工作，并且發(fā)送的重復數(shù)據(jù)包很少（如1.19％）。這個模型從理論上證明了Datacast擁塞控制算法幫助Datacast取得了可擴展性和高帶寬利用率。
　　 4.針對在只有部分網(wǎng)絡設備支持數(shù)據(jù)緩存情況下Datacast的數(shù)據(jù)傳輸問題，本文提出了Datacast的增量部署方案。在Datacast增量部署方案中，本文首先提出了一個具有線性時間復雜度的Steiner樹最大傳輸速率改進算法，該算法通過加入原Steine

8、r樹的反向邊來使接收者從對等結(jié)點中獲取數(shù)據(jù)，有效的提高了Steiner樹的最大傳輸速率。然后，本文提出用增加輔助緩存結(jié)點的方法來解決虛假的擁塞控制信號問題。Datacast增量部署方案使Datacast可以在只有部分網(wǎng)絡設備支持數(shù)據(jù)緩存能情況下高速的進行數(shù)據(jù)傳輸。
　　 5.本文在NS3上實現(xiàn)了Datacast，并使用ServerSwitch平臺搭建了Datacast。本文通過仿真和實驗驗證了Datacast。仿真和實驗的結(jié)果都