论文总结：Freeway：自适应地隔离大象流和老鼠流在不同的路径上传输

摘要-今天的数据用户之间的网络资源竞争非常激烈，长寿命的大象流和延迟敏感的老鼠流之间的竞争非常激烈。对于这两类流来说，分别实现高吞吐量和低延迟的目标需要妥协，目前还没有成功的研究是因为没有区别对待大象流和老鼠流，而都当成一种流量进行路由。当前的数据中心通常采用基于CLOS的拓扑结构，例如FAT树、VL2，因此在任意一对源和目标之间存在多条最短路径。在本文中，我们利用这一观察，提出了一种流量调度方案-Freeway，将传输路径自适应地划分为低延迟路径和高吞吐量路径。并基于这些分离的传输路径，提出了不同的特定于流类型的调度转发方法，以充分利用带宽。仿真结果表明，与Hedera相比，Freeway使老鼠流延迟降低了85.8%，吞吐量提高了9.2%。

方案思路介绍：

数据中心的流量主要包括两种类型的流量：大象流和老鼠流。大象流需要大的稳定带宽才能在没有特定期限的情况下实现高吞吐量。老鼠流对延迟敏感，并且通常具有期限限制。Freeway[7]提出了一种集中算法，以满足老鼠流量和大象流量的不同要求。首先，它将路径动态划分为低延迟链路（LOL）和由高吞吐链路（HOL）。LOL和HOL的比率根据路径利用率而变化，即，当一半LOL的链路利用率超过阈值时，HOL变为LOL，反之亦然。然后，老鼠流和大象流在末端宿主处分化。大象流在发送之前与控制器交换他们的交通信息，其他流被视为老鼠流。然后老鼠流和大象流分别分配给LOL和HOL路径。使用静态机制（如ECMP）直接传输老鼠流，并且由中央控制器调度大象流。

调度与转发过程

 

重点思路详细介绍：

路径定义：

Low latency path：由低延迟定向链路(LOL)组成。LOL在其输入/输出/共享缓冲区中保持超低利用率，以减少包缓冲延迟。在这些路径上只能传输老鼠流。

High throughput path：由高吞吐量的面向链接(HOL)组成。HOL在缓冲区中维护长队列，提供高吞吐量，从而充分挖掘潜在的带宽资源。只有象流才能通过高吞吐量路径传输。 

 

路径动态划分算法：

我们算法的目的是先为每对服务器提供足够的低延迟路径，然后充分利用剩余路径提供高吞吐量。为了实现这一目标，该算法需要满足两个约束：

约束1：在每对服务器之间至少有一个低延迟路径和一个高吞吐量路径。

约束2：基于实时老鼠流量，动态添加或删除低延迟路径.

对于一个k-ary的Fat-tree拓扑为了满足约束1，我们首先将第一个k/2路径划分为低延迟路径

划分方法：

对于每个tor对，我们计算链路对其所有低延迟路径的利用率。如果平均链路对一条路径的缓冲区利用率超过LOL的阈值，则假设该路径拥塞；而如果平均缓冲区占用率低于阈值，则假设该路径是空闲的。因此，对于tor对，如果超过半数的低延迟路径被阻塞，则应该添加一个新的低延迟路径。另一方面，如果超过一半的低延迟路径是空闲的，则应该删除低延迟路径。

流量调度与转发：

大象流通常将有几MB~GB的数据字节，占数据中心总流量总数的80%以上。然而，通常由虚拟机迁移和数据备份服务等应用程序生成的大象流没有严格的完成期限。因此，大象流可以进行集中式调度，从全局角度进行优化。

如何判断大象流：

在主机发送一个大的flow(例如超过10 Mb)之前，它应该向控制器发送一个“握手”分组，以声称flow是大象流，如图所示。“握手”包含flow的基本信息，包括流大小、预期发送速率等。

一旦控制器接收到“握手”数据包，它就开始计算flow的最佳路径。基于从握手包中获得的tor对，控制器可以为flow选择可用的高吞吐量路径。在多条路径上平均分割流量，但不超过各链路的容量，称为多商品flow(Mcf)问题，即NP-完全问题。这个问题现在可以形式化为线性规划模型，如eq所示。

与在发送大象流之前发送“握手”数据包不同，老鼠flOWS是由主机直接发送的(图中的B1)。如前所述，路径分割算法为基于老鼠流的每个tor对提供了足够的低延迟路径。控制器不计算每个老鼠流的路径，而是为每个tor对的低延迟路径设置flow条目。如果flow的目的地地址与tor的子网地址匹配，则交换机将把flow转发到所有可用的低延迟输出链路(图b2)中最不拥挤的输出链路。

优缺点：

参考文献中的仿真显示，与ECMP和Hedera相比，Freeway实现了更高的吞吐量和更低的延迟。它还与PerPktLB（一种最佳的每数据包负载均衡机制）密切相关，但PerPktLB在实际网络中遭受了极大的数据包重新排序问题，这将导致显着的TCP性能下降。Freeway是网络利用率和流量要求之间的权衡。Freeway的次优性能是由路径选择程序引起的。实际上，即使所有低延迟路径的链路利用率都超过50％，仍然有剩余容量来传输大象流量，但Freeway仍然没有使用这些容量。虽然不是最优的，但Freeway可以满足目标流量的大多数期限和吞吐量要求，并且即使存在链路故障也是稳定的。

Freeway的对比实验结果图