面向數據中心的高效以太網轉發(fā)算法研究.pdf

1、數據中心(Data Center, DC)是云計算的基礎設施，一個龐大的數據中心能夠搭載成千上萬臺服務器通過網絡組成集群對外提供服務。按照轉發(fā)方式的不同，數據中心網絡(Data Center Network，DCN)中數據包的轉發(fā)可以分為IP多播(Multicast)轉發(fā)和MAC單播(Unicast)轉發(fā):對于IP多播轉發(fā)，在轉發(fā)過程中交換機需要記錄大量的多播組信息，而低端交換機的存儲空間是有限的，如果將多播轉發(fā)信息不存儲在交換機中而是

2、編碼存儲在數據包的包頭中，又會帶來額外的流量開銷，降低帶寬的利用率，IP多播轉發(fā)面臨可伸縮性挑戰(zhàn);對于MAC單播轉發(fā)，由于MAC地址不像IP地址那樣易于匯聚，虛擬化技術的應用使得MAC地址轉發(fā)表項爆炸性地增長，并且虛擬機的開關和遷移又導致MAC地址的更新非常頻繁，低端交換機有限的存儲空間導致DCN中MAC單播轉發(fā)面臨轉發(fā)表空間壓縮問題。
　　本文針對IP多播轉發(fā)面臨的可伸縮性挑戰(zhàn)，提出兩種高效可伸縮的IP多播轉發(fā)算法:基于嵌入包頭

3、的輕量級布魯姆過濾器(in-packet Lightweight Bloom Filter，in-packet LBF)的IP多播轉發(fā)算法和基于嵌入包頭的比特位圖(in-packet bitmap，in-packet BMP)的IP多播轉發(fā)算法?；趇n-packet LBF的IP多播轉發(fā)算法將多播轉發(fā)樹的結點信息編碼存儲在嵌入包頭的輕量級布魯姆過濾器中，每一個中間交換機通過檢查包頭中的布魯姆過濾器來決定是否轉發(fā)數據包，而邊界交換機通過

4、檢查一張存儲在交換機中的哈希表轉發(fā)數據包到本地服務器。相比于BF，LBF編碼存儲到包頭的節(jié)點更少，并且最后一跳轉發(fā)采用簡單的哈希表查找比布魯姆過濾器更快。實驗結果表明:與傳統(tǒng)的嵌入包頭的布魯姆過濾器(in-packet BloomFilter，in-packet BF)相比，LBF在流量泄露上減少了39.3％，在轉發(fā)信息的編碼長度上減少了38.8％，在吞吐率上提高了98.7％;基于in-packet BMP的IP多播轉發(fā)算法將多播轉發(fā)樹

5、中交換機的端口編碼到嵌入包頭的比特位圖中，每一個交換機通過檢查數據包頭的比特位圖來決定是否從某個端口轉發(fā)數據包。相比于BF，BMP精確的轉發(fā)避免了假陽性轉發(fā)帶來的額外流量開銷，并且高效的布谷鳥哈希查找使得轉發(fā)吞吐率也有了明顯的提升。實驗結果表明:與BF相比，BMP在流量泄漏率和編碼長度上平均能夠減少4-6倍，并且轉發(fā)吞吐率也優(yōu)于BF。
　　針對MAC單播轉發(fā)面臨的轉發(fā)表空間壓縮問題，本文提出了一種支持快速更新的可重用固定長度編碼(

6、Reusable Fixed Length Coding，RFLC)，該編碼方法對不同規(guī)模的MAC轉發(fā)表選擇不同的固定長度參數，該固定長度參數對應了固定長度編碼集合，不同的MAC地址表項重用該集合中的編碼，從而使得這種編碼方法能夠選擇合適的固定長度參數縮短編碼的長度，并且這種方法使用布谷鳥哈希來提高轉發(fā)速率。實驗結果表明:這種編碼方式相比于傳統(tǒng)的固定長度編碼和聯(lián)合哈夫曼編碼，在編碼長度上平均減少了1.03％-27.53％，在轉發(fā)數據包的