Sigcomm2015 DCQCN论文阅读笔记


文章目录

  • 背景
  • 优先级流控制（PFC）
    • 优先级流控制（PFC）的局限性
      • Unfairness
      • Victim flow
    • 问题分析与解决方案
  • DCQCN的设计
    • DCQCN总体框架
    • Congestion Point（拥塞点）
    • Notification Point（通知点）
    • Reaction Point（反应点）
  • 总结
    • 优点
    • 缺点

Sigcomm 2015年的论文“Congestion Control for Large-Scale RDMA”开启了RDMA中的拥塞控制算法的学习。虽然这篇论文提出的拥塞控制机制DCQCN总是被后来的论文拿出来鞭尸，但是作为第一个吃螃蟹论文还是非常值得深入一读的。
背景

RDMA（Remote Direct Memory Access）技术是一种直接在内存和内存之间进行数据互传的技术，在数据传输的过程中完全实现了Kernel Bypass，CPU不需要参与操作，这也是RDMA在降低CPU消耗的同时，还能带来低时延的原因。
RDMA与TCP/IP模式示意图

TCP占用CPU资源多。使用RDMA以后吞吐量大，cpu消耗低，延迟低。深究原因，一般收发数据，要经过操作系统内核处理封装，然后再通过网卡发送。这个过程会产生中断，并且消耗cpu资源，在相同的吞吐量下，流越小那么造成的中断次数就越多，cpu消耗越大。rdma就是数据直接在内存和网卡之间交流，不用走内核了，节约cpu资源。

RDMA必须要部署在无损网络之上，而无损网络的实现就要启用PFC机制。

优先级流控制（PFC）

PFC通过监控ingress queue以及向上一跳发送PAUSE帧的方式避免交换机缓冲区和NIC缓冲区出现缓存溢出，从而避免丢包。

优先级流控制（PFC）的局限性

部署在大规模网络上需要用到的PFC机制会产生以下问题：

Unfairness

我们可以看到流f1使用Ingress 1，流f2、f3共享Ingress 2。最初始的情况下，如（a）图，三个流平均分配Egress 1。（b）图队列达到了PFC的阈值，交换机暂停了Ingress1和Ingress2的发送。（c）图收到了恢复帧并且开始重新发送包。此时f2和f3构成竞争关系而f1独占Ingress 1。（d）图展示了f1拥有比f2和f3更高的吞吐量。
Unfairness

Victim flow

在该图中我们可以看到Egress 1发生了拥塞，而本来应该正常传输的流f2由于暂停帧的原因也被迫停止了。此时流f2被称作Victim flow。
Victim flow

问题分析与解决方案

问题分析

  • PFC拥塞控制机制不能区分流，粒度太粗。

解决方案

  • 加入端到端流级别的拥塞控制能解决上述问题。

DCQCN的设计

DCQCN总体框架

DCQCN
DCQCN是基于速率和基于反馈的拥塞控制。
DCQCN的设计包括3个部分：

  • 拥塞点，交换机；
  • 通知点，流量接收端和信号发送端；
  • 反应点，流量发送端。

发送方（RP）以最高速开始发送，沿途过程中如果有拥塞，会被标记ECN显示拥塞，当这个被标记的报文转发到接收方（NP）的时候，接收方（NP）会回应一个CNP报文，通知发送方（RP）。收到CNP报文的发送方（RP），就会开始降速。当发送方没有收到CNP报文时，就开始又提速了，上述过程就是DCQCN的基本思路。接下来我们详细讨论DCQCN的思路：

Congestion Point（拥塞点）

在这里，我们展示DCQCN如何在拥塞点上工作。
congress
当队列长度超过ECN标记阈值时，数据包在ECN位上标记，其概率与队列长度成比例。 这些标记的数据包是显示发生拥塞的信号。
优先流控制PFC 用于防止数据包丢失。 当队列长度超过PFC阈值时，PFC数据包将发送到上游端口以阻止它们发送。

Notification Point（通知点）

当拥塞点（流的接收端）接收数据包时，它检查其ECN位。
如果一个接收端接收到带有ECN标记的分组，则它向流的发送端发送拥塞通知分组a congestion notification packet （CNP），并且在下一个固定的时间段内，例如50微秒，它将不再针对相同的流发送CNP。
CNP是拥塞信号，通知发送者控制流速。
在这里插入图片描述

Reaction Point（反应点）

当流量发送端接收到CNP时，它会按比例减少流量，该切割比的计算类似于DCTCP。当接收到CNP时，切割比率增加。 并且当流速增加时，切割比降低。
在这里插入图片描述
定时器和字节计数器用于发送端以进行速率恢复，当发送方未在固定时间内收到CNP时，它会根据其先前的状态增加流量。
加速有三种状态，如QCN，快速恢复，加性增加和超增加。
在快速恢复中，发送方将流速增加到上次切割前的速率。快速恢复将持续到，恢复到目标速率
在加性增长中，流速相加地增加，也就是说，使用固定的增加步骤。
在超级增长中，增加步骤随着增加的时间增长而增长。
在这里插入图片描述
以下图片展示了该过程的伪代码：
在这里插入图片描述

总结

优点

  • 利用类似DCTCP显式反馈策略，结合QCN的速率控制，可以在PFC机制触发前缓解拥塞。减少PFC机制的触发。

缺点

  • 仍然需要依靠PFC来实现无损网络。
  • 与DCTCP一样存在队列排队延迟的问题。
  • 丢包重传采用 Go back N 机制