張 健

(國家計算機網絡與信息安全管理中心 黑龍江分中心， 哈爾濱 150001)

引言

丟包對于虛擬機的運行來說是致命的，直接影響到用戶體驗。作為系統(tǒng)的管理者，應該找出丟包的真實原因。在數據中心，這類問題幾乎是不能通過傳統(tǒng)的監(jiān)測工具(如SNMP)來進行監(jiān)測的。管理者需要及時更換出問題的交換機，而這一類的干預手段必須付出“昂貴”的代價，代價一方面來源于用戶體驗、忠誠度，另一方面來源于時間、資源開銷。

在網絡故障探測方面有許多先前研究，Pingmes[1]通過周期性地發(fā)送探測包的方式來監(jiān)測網絡 ，但是這種方法是一種典型的“帶外”探測，其不能探測只影響帶內數據的情景。在文獻[2]中，Roy et al. 通過對路由器進行修改來監(jiān)測所有數據通路來探測包傳輸錯誤，但這種方式需要對交換機進行相應的修改，這種方式并沒有一種統(tǒng)一的對于所有交換設備的解決方式。Everflow方式被用來尋找丟包的位置，但是需要大規(guī)模地對數據通信進行采集，其代價高昂。在一個網絡中，通常存在1000 000級別的鏈路，可以認為0.000 1%的鏈路可能同時存在丟包，如果同時對這些鏈路進行丟包探測以及恢復，是不可能實現的。通常的做法是根據鏈路的重要性進行選擇性帶權探測修復。但是現有的技術并不存在用戶與鏈路的相關關系模型。這也就是說在現有的系統(tǒng)需要在應用和鏈接層面進行語義分析。

為了解決這一缺陷，本文提出了TCPRA(TCP Retransmission Analysis)，一個簡單、輕量化的網絡監(jiān)測工具。TCPRA通過對TCP鏈路的監(jiān)測，找出這樣的鏈路：TCP數據流遭受了大量的重傳。TCPRA對鏈路的相關參數進行采樣和賦權，最后通過機器學習方法得出TCP數據流丟包的可能原因。在這篇文章中，作者做出如下工作：

(1)本文設計了TCPRA，一個輕量化的用在數據中心網絡的網絡監(jiān)測系統(tǒng)。

(2)展示了將TCPRA實現到具體的數據中心遇到的問題及解決方案。

(3)驗證了TCPRA是系統(tǒng)可承受的。

1 啟發(fā)

TCPRA的目標在于選擇重傳的主要原因。對于TCPRA有兩個主要目標：

(1)能夠適應數據中心網絡規(guī)模。

(2)能夠真實地運行在數據中心網絡中。

現有的工具中，有一系列的技術能夠監(jiān)控網絡中的丟包行為：比如管理者可以通過對交換機進行監(jiān)測從而找到TCP的丟包行為，但是這通常不容易實現，需要對不同廠家的交換機進行開發(fā)，并且TCP數據流的數量龐大。另外一種方式是通過網絡注入的方式，在TCP頭的擴展部分嵌入特定的標識符，標識TCP的丟棄行為，但是這種方法靶向性并不強，因為管理者一般不知道什么樣的數據包在網絡中會被丟棄。

本文采用軟件定義網絡方法，對交換機功能進行擴展，通過在軟件定義網絡框架下，設計網絡監(jiān)控程序，實時監(jiān)控數據流的重傳行為，并將這些重傳行為匯聚到數據收集器上。這些數據收集器連接到一個控制器上，運行在控制器上的控制程序通過數據收集器收集到的實時數據判斷TCP數據包丟棄的原因并對交換機的行為進行決策。這里交換機的行為包括更換、重啟、限制速率、限制TCP流接入數量等。

軟件定義網絡是一種新的網絡架構，其利用相應的協(xié)議將網絡的數據層和控制層解耦合，從而使得數據的傳輸獨立于網絡的控制邏輯。其優(yōu)勢為：

(1)將設備從網絡控制邏輯的束縛中解放出來，規(guī)范了硬件設備的發(fā)展方向。

(2)以更加全局的視角重構網絡控制算法，更加豐富了控制算法的輸入信息，從而提升了網絡控制算法的性能。

一個典型的軟件定義網絡協(xié)議是OPENFLOW：是一種網絡通信協(xié)議，工作在數據鏈路層，控制網絡交換器和交換機的轉發(fā)邏輯，OPENFLOW協(xié)議制定了數據轉發(fā)的方式：通過流表進行轉發(fā)；制定了交換機和控制器通信的協(xié)議，交換機和控制器的指令交流以及數據傳送行為。OPENFLOW也有相應的網絡監(jiān)控協(xié)議：sFlow和netFlow，sFlow是基于采樣的鏈路層網絡監(jiān)控協(xié)議，netflow是由思科公司引入的網絡監(jiān)控協(xié)議。這兩種協(xié)議用在數據中心網絡中代價較高，故在本文中不予考慮[3]。

對于數據包的丟棄行為，通常當數據包丟失的時候通過一定的標識通知網絡管理者。這種方式需要對所有數據包進行標識，并不適用于大規(guī)模的數據中心網絡。本文轉換思路，通過TCP的重傳行為來標識數據包的丟失。所以本文的設計思路是，在交換機上設計監(jiān)測數據包重傳的監(jiān)測模塊TCPRA，監(jiān)測結果以及網絡狀態(tài)實時傳送連接到控制器的數據收集器上，控制器對數據的丟棄行為進行決策。

2 系統(tǒng)框架設計

在數據中心網絡中，外圍的用戶終端通過有線網絡連接到交換機上，服務器以及交換機之間通過有線網絡連接。TCP數據流通過交換機在有線網絡中傳輸，交換機的交換表決定TCP下一跳的地址。TCPRA工作在交換機上的傳輸層。傳輸層有兩個代表性的傳輸協(xié)議：TCP(Transmission Control Protocol)和UDP (User Diagram Protocol) 。其中UDP協(xié)議是面向數據包的傳輸協(xié)議，數據的傳送并不需要進行確認，數據發(fā)送端的發(fā)送行為與數據的接收成功無關，通常用在實時性較強的應用中，如游戲動作等。TCP協(xié)議是面向連接的，TCP發(fā)送端的發(fā)送行為必須配合接收端的接收行為。TCP協(xié)議是一種可靠傳輸協(xié)議，指的是數據包丟失將啟動數據重發(fā)，直到數據被正確接收為止。在數據中心中，考慮到數據的重要性，采用TCP作為傳輸層的默認控制協(xié)議?；谲浖x網絡的丟包檢測模塊—TCPRA如圖1所示。

圖1 基于軟件定義網絡的丟包檢測模塊TCPRA

Fig.1PacketlossdetectionmoduleTCPRAbasedonSoftwareDefinedNetwork

在接收到數據之后，通過TCPhdr數據結構，TCPRA提取數據包的頭部信息，其頭部信息包括數據包的sequence、ack sequence、數據包的長度信息。TCPRA判斷數據的重傳的過程：TCPRA將T時間內的數據包存儲到內存中，當新數據包到來的時候，如果數據包的長度為0，那么確定該數據包為一個ack包并不含有數據。當數據包長度不為零時，判斷sequence是否在現有的數據包中出現過，如果出現過即為重傳。當發(fā)生重傳的時候，將重傳的數據包頭部信息、數據流速率、數據流數量信息、數據包速率、數據丟棄速率、隊列長度信息等通過TCP協(xié)議發(fā)送給數據收集器。控制器收到重傳信息以及網絡信息之后，通過決策樹算法判定重傳與網絡參數之間的權重關系。

3 實驗評估

本文在一個實際的數據中心對TCPRA進行實驗評估，評估的環(huán)境是6臺NETGEAR交換機、運行openwrt以及openvswitch虛擬交換機軟件，一個控制器(部分充當數據收集器)、10臺客戶端接入軟件。客戶端通過scp復制數據模擬數據流行為。系統(tǒng)運行時間為24 h，收集數據23.35GB。數據包括隊列長度、數據丟包、重傳、重新入隊、數據速率?？刂破鲗@23GB數據進行決策樹分類，分類結果如圖2所示。從圖中可以看出數據丟失主要決定于接收速率，其次是重傳速率、第三是重新入隊。

圖2 數據丟失與網絡參數決策樹

根據決策樹輸出結果，當發(fā)生丟包時。根據交換機的接收速率、重傳速率、以及重入隊數量，判定該交換機是否需要限制速率。如果數據速率超過5 113 MB，則限制進入速率，如果重傳大于0.5個數據包/s，則限制速率。如果重新入隊數量大于683，可以調整隊列算法。

4 結束語

本文實現了一種在交換機上的丟包監(jiān)測模塊TCPRA，該模塊監(jiān)測數據丟包行為并且通過控制器決策樹算法發(fā)現數據包丟棄的原因。并且根據學習結果以及交換機狀態(tài)調整配置策略。實驗評估顯示TCPRA可以勝任數據中心的數據包丟棄和控制工作。