【论文评析】Rethinking Transport Protocols for Reconfigurable Data Centers: An Empirical Study

一、研究背景与动机

随着摩尔定律放缓，为满足数据中心网络（DCNs）日益增长的带宽需求，人们开始研究电路交换技术构建可重构数据中心网络（RDCNs）。这些网络具有频繁变化的连接和动态路由方案，对传输层带来新挑战。虽然已有一些针对RDCNs传输协议的研究，但现有方案在运行于可重构网络结构上时存在缺陷，因此需要重新思考RDCNs的传输协议。

二、RDCN网络架构介绍

1. 纯RDCN与混合RDCN
   • 纯RDCN：通过电路交换技术在机架顶部交换机（ToRs）之间建立专用电路，电路随时间重新配置，连接高度动态。其时间片可达到微秒甚至纳秒级，无需依赖电气分组交换（EPS）网络，降低了功耗和管理成本，提高了带宽可扩展性，但对流量需求不敏感，电路按预定静态时间表重新配置。
   • 混合RDCN：电路交换结构依赖EPS网络实现全连接。当电路交换结构中的光电路交换机（OCSes）重配置时间为毫秒级时，为及时给ToR对提供直接电路，需要EPS网络传输ToR间缺乏直接电路的流量。这种架构根据流量需求估计建立光电路，对流量需求敏感，但监测和计算流量估计的时间可能过长，且管理两种网络结构的开销较大。
2. 路由方式
   • 连续路径路由：数据包在源ToR到目的ToR之间通过连续、不间断的路径传输，如Opera架构对延迟敏感的流采用此方式。其优点是无电路等待延迟，但可能消耗较多带宽。
   • 非连续路径路由：数据包可在路径中的中间节点停止等待合适的电路，如Valiant Load Balancing（VLB）采用此方式。它适合RDCN电路的离散性，可在带宽效率和延迟之间权衡。

三、现有传输协议在RDCN中的性能分析

1. 连续路径路由传输
   • NDP协议
     • 无法控制网络核心的拥塞，在非阻塞Clos拓扑中可通过分组喷射实现核心无拥塞，但在Opera的扩展图拓扑中，即使采用分组喷射，由于路径成本不同，网络核心仍会拥塞。
     • 无法准确调整数据包的发送速率，因为Opera拓扑的底层扩展图不对称，不同ToR对之间的往返时间（RTT）变化大且动态，导致在Opera中数据包发送速率不准确，引起队列堆积。
   • DCTCP协议
     • 连续路径路由导致的数据包重排序会影响DCTCP，因为TCP - based方案使用三次重复确认（triple duplicate ACK）启发式方法检测数据包丢失，对数据包重排序敏感。
     • DCTCP的反馈环缓慢，无法及时应对由重配置引起的流量突然变化，且不能隔离不同时间片之间的状态，导致拥塞状态会延续到无拥塞的时间片。
   • TDTCP协议
     • 为克服上述问题而设计，可将TCP状态分割到不同时间片，隔离拥塞状态，但设计针对混合RDCN，在纯RDCN中优势减弱。
     • 时间片隔离可能导致在无拥塞场景下吞吐量降低，且很少重用状态，因为在纯RDCN中，满足重用条件的流长度要求较高，而实际数据中心网络中多数流较短。
2. 非连续路径路由传输
   • VLB协议
     • 其不连续路由打破了常见传输协议的假设，导致数据包交付时间不受网络RTT限制，而是受周期持续时间限制，且不同中间节点的数据包交付时间差异大，重排序严重。
     • RotorNet为VLB实现了专用传输方案RotorLB，但RotorLB存在问题：不能防止incast，与其他传输协议不兼容，导致连续路径流量占用其分配的带宽时，会出现网络拥塞和RotorLB流量延迟。

四、未来RDCN传输协议设计方向

1. 主动式传输：通过信用分配或主动流调度等方式提前安排流量，防止拥塞。设计时需考虑RDCN中不对称的路径和核心拥塞，对数据包调度进行更精细的控制。
2. 对重排序具有鲁棒性：应具有明确的机制来指示数据包丢失，如采用否定确认（NACK）、数据包修剪等，避免在终端主机使用易受重排序影响的丢失检测启发式方法，同时调整重传超时（RTO）以适应RDCN路径的变化RTT。
3. 兼容连续和非连续流量：考虑已被停止流量分配的带宽，自适应限制非连续流量可提前分配的带宽，防止连续和非连续路径流量混合时出现带宽估计错误和长时间延迟。
4. 感知底层网络结构：跟踪电路持续时间，根据链路情况调整发送的数据量，避免因重配置导致数据包丢失，同时可以打开新的设计空间，不受现有拓扑和路由约束。