蔡昭權(quán)，胡 輝，秦磊華，曹建忠

(1.惠州學(xué)院 教育技術(shù)中心，廣東 惠州516007;2.華中科技大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430074;3.惠州學(xué)院 電子科學(xué)系，廣東 惠州516007)

光纖通道存儲區(qū)域網(wǎng)(fiber channel storage area network，F(xiàn)C SAN)以其具有的高性能、易擴展、高可靠等優(yōu)點，已成為主流網(wǎng)絡(luò)存儲技術(shù)之一，并廣泛應(yīng)用于各類數(shù)據(jù)中心，以滿足企業(yè)日益增長的信息對大容量、高性能存儲系統(tǒng)的需求。然而，數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險隨著存儲容量的增加而增加，為了降低由于多種原因?qū)е碌臄?shù)據(jù)丟失風(fēng)險，提高數(shù)據(jù)和應(yīng)用系統(tǒng)的可用性，人們正在研究基于高速廣域網(wǎng)的SAN 互聯(lián)，即存儲距離擴展［1］。研究表明，存儲距離擴展后所帶來的距離因素不僅會降低FC 流量控制協(xié)議的性能，而且還可能增加FC 幀的排隊時延［2－4］，文獻［5］提出了一種改進的存儲擴展流量控制方法，該方法通過固定設(shè)置擴展網(wǎng)關(guān)緩存隊列的高、低門限值，并根據(jù)隊列的實際長度與高、低門限值的關(guān)系，調(diào)整Credit更新的頻率。文獻［5］的研究結(jié)果表明:隊列高門限值是影響隊列排隊時延的主要因素，而低門限值則是影響接收節(jié)點輸出鏈路利用率的主要因素;合理設(shè)置隊列的高、低門限值可在不降低輸出鏈路利用率的情況下，降低數(shù)據(jù)的排隊時延。

文獻［5］的研究工作建立在固定設(shè)置接收端隊列高、低門限值的基礎(chǔ)上，所設(shè)置的門限值未進行優(yōu)化。筆者在文獻［5－9］研究工作的基礎(chǔ)上，提出了一種自適應(yīng)的FC 存儲擴展流量控制方法。一方面，根據(jù)存儲擴展網(wǎng)關(guān)中隊列的長度與設(shè)定的隊列高、低門限值之間的關(guān)系調(diào)整FC 流量控制協(xié)議Credit 更新的頻率;另一方面，根據(jù)隊列長度的變化調(diào)整隊列高門限值，并根據(jù)接收端服務(wù)率調(diào)整隊列低門限值。

1 自適應(yīng)FC 流量控制算法設(shè)計

算法中用到的相關(guān)變量說明如下:Q_length為接收端緩存隊列的長度;Q_low 為低門限值;Q_high為高門限值;F_high 為 隊列高門限觸發(fā)標(biāo)志，當(dāng)隊列長度大于Q_high 時置1，H_count 為零時清零;H_count 為Q_length ＞Q_high 期間網(wǎng)關(guān)停止Credit 更新的次數(shù);L_count 為F_High =1 且Q_length ＜Q_Low 期間，接收端每轉(zhuǎn)發(fā)或處理一個FC 幀所發(fā)出的Credit 更新信號的數(shù)量;μ 為發(fā)送端發(fā)送FC 幀的速率;v 為接收端處理或轉(zhuǎn)發(fā)FC 幀的速率;Credit_countn為n 時刻發(fā)送端可用的Credit 值;M 為發(fā)送標(biāo)志，M=1 時發(fā)送方可繼續(xù)發(fā)送FC 幀，M =0 停止發(fā)送;LFC為FC 幀長;k為Credit 分段更新控制函數(shù);Δt 為發(fā)送端與接收端之間鏈路的單程傳播時延;add_length 為描述隊列增、減特性，大于零時表示隊列長度在增加，反之表示隊列長度在減小。

假定存儲擴展鏈路發(fā)送以全速發(fā)送FC 幀和Credit 更新信號，則筆者所設(shè)計的FC 流量控制算法原理如下:

(1)Credit 更新算法。

式中:kvn－1Δt/LFC為Δt 時間內(nèi)發(fā)送方新增的Credit 值;MμnΔt/LFC為Δt 時間內(nèi)發(fā)送方由于發(fā)送FC 幀而消耗掉的Credit 值，兩者的差值即為Δt時間內(nèi)發(fā)送方Credit_Count 的變化量。

其中分段控制函數(shù)k 為:

發(fā)送標(biāo)志M 的控制函數(shù)為:

即發(fā)送方有充足的Credit 時，M =1，可繼續(xù)發(fā)送FC 幀;反之，發(fā)送方?jīng)]有充足的Credit，M =0，停止發(fā)送FC 幀。

(2)隊列低、高門限值自適應(yīng)控制。隊列低門限值自適控制函數(shù)為:

式中:［vnΔt/LFC］為在Δt 時間內(nèi)接收方端處理或轉(zhuǎn)發(fā)的FC 幀數(shù)量。當(dāng)接收緩存隊列中FC 幀數(shù)量少于該值時，接收端的處理或轉(zhuǎn)發(fā)FC 幀的能力由于沒有足夠的FC 幀而得不到充分發(fā)揮，從而導(dǎo)致處理效率降低。因此，當(dāng)Q_length ＜Q_Low 時，若F_high 為1，則可加快Credit 的更新頻率，以增加接收端緩沖隊列中FC 幀的數(shù)量。

隊列高門限值的自適應(yīng)控制函數(shù)為:

從式(5)可知，隊列高門限值的改變受隊列增、減特性變量add_length 控制。當(dāng)add_lenght ＜0 時，表明接收端緩存隊列中FC 幀的數(shù)量在減少，此時，增加Q_Hight 的值可延緩?fù)０l(fā)Credit 更新信號的時間，發(fā)送方由于及時得到了更多的Credit 更新信號而發(fā)送更多的FC 幀，增加接收方緩存隊列的長度。反之，當(dāng)add_lenght ＞0 時，表明接收端緩存隊列中FC 幀的數(shù)量在增加，此時，降低Q_Hight 的值將加快停發(fā)Credit 更新信號的進程，發(fā)送方由于不能及時得到更多的Credit 更新信號而減少FC 幀的發(fā)送，從而降低接收方緩存隊列的長度。需要注意的是，Q_Hight 值不能降低到小于等于Q_Low 的值。筆者取高門限值的增、減步長為1。

2 建模及仿真

2.1 仿真環(huán)境

筆者基于OPNET10.0［10－11］參照文獻［5－9］中的建模方法，并對其中部分模塊中的算法進行修改，得到自適應(yīng)流量控制算法的仿真模型。部分仿真環(huán)境參數(shù)如表1 所示。

表1 仿真環(huán)境參數(shù)設(shè)置

為便于比較筆者提出的自適應(yīng)算法的效果，建立了5 個仿真場景，設(shè)置不同的隊列高、低門限值，如表2 所示。

表2 仿真場景及其門限值

其中場景ch100ch0 以緩存的上限和0 分別作為高、低門限值，其執(zhí)行的是標(biāo)準(zhǔn)的FC 流量控制協(xié)議，設(shè)置該場景的目的是便于與筆者提出的自適應(yīng)流量控制算法進行比較［12］。

2.2 仿真結(jié)果及分析

(1)自適應(yīng)流量控制算法的Credit 特性。對表2 中的所有場景進行仿真，研究自適應(yīng)算法的Credit 特性，仿真結(jié)果與FC 流量控制協(xié)議的比較如圖1 所示，與文獻［5］提出的改進流量控制協(xié)議的比較如圖2 所示。

從圖1 和圖2 可以看出自適應(yīng)流量控制算法中Credit 更新具有下列特性:①與標(biāo)準(zhǔn)的FC 流量控制算法相比，自適應(yīng)流量控制算法中Credit_Count 也長期處于較低值(如圖1 所示)，因此，緩存在接收端緩沖區(qū)中FC 幀的數(shù)量就相對較少;②從圖2 可看出，與文獻［5］提出的改進算法相比，自適應(yīng)算法中Credit_Count 具有更好的平穩(wěn)性。

圖1 與標(biāo)準(zhǔn)FC 流量控制協(xié)議的比較

圖2 與文獻［5］提出的改進流量控制協(xié)議的比較

(2)自適應(yīng)流量控制算法對接收端隊列長度的影響。圖3 所示的仿真結(jié)果展示了自適應(yīng)流量控制算法與其他流量控制算法對接收端隊列長度的影響。

從圖3 所示的仿真結(jié)果可以看出，自適應(yīng)流量控制算法下，接收端隊列具有下列特性:①與其他算法相比，自適應(yīng)算法下接收端隊列長度最短。通過對仿真數(shù)據(jù)的放大分析發(fā)現(xiàn)，大部分仿真時間內(nèi)，自適應(yīng)流量控制算法中隊列的長度在4 個FC幀左右變動，而ch8cl5、ch6cl3、ch13cl3 和ch100cl0等仿真場景中隊列長度的值分別在7、6、12 和22個FC 幀左右變化;②從圖3 可明顯看出，自適應(yīng)流量控制算法中隊列長度的平穩(wěn)性最好。

(3)自適應(yīng)流量控制算法對排隊時延的影響。圖4 所示的仿真結(jié)果展示了自適應(yīng)流量控制算法與其他流量控制算法對FC 幀在接收端緩存隊列中排隊時延的影響。

圖3 自適應(yīng)算法與其他算法對隊列長度影響的對比

圖4 自適應(yīng)算法與其他算法對排隊時延影響的對比

如圖4 所示，5 種情況下，自適應(yīng)算法的排隊時延最短，時間大約在1.5 s 左右。不僅如此，通過對比還發(fā)現(xiàn)，自適應(yīng)算法中排隊時延長的穩(wěn)定性也最好。

(4)自適應(yīng)流量控制算法對接收端處理效率的影響。為對比不同算法對接收端處理FC 幀效率的影響，對每一種算法中接收端在仿真期間所轉(zhuǎn)發(fā)或處理的FC 幀的總數(shù)進行記數(shù)。最后的統(tǒng)計結(jié)果如圖5 所示。

圖5 自適應(yīng)算法與其他算法對接收端處理效率的對比

圖5 所示的仿真結(jié)果表明，5 種情況下在接收端處理的FC 幀總數(shù)均在4 000 個FC 幀左右。由此可見，自適應(yīng)流量控制算法并未影響接收端處理FC 幀的效率。

3 結(jié)論

(1)與文獻［5］提出的算法相比，筆者提出的自適應(yīng)流量控制算法在不降低接收端處理效率的前提下，能更有效降低接收緩存中FC 幀的隊列長度和排隊時延，從而更有利于提高存儲擴展的性能和降低FC 序列超時重傳的概率。

(2)自適應(yīng)流量控制算法根據(jù)隊列長度變化和接收端處理能力，自適應(yīng)調(diào)整用于控制Credit更新特性的高、低門限值，算法的穩(wěn)定性好。

(3)與文獻［5］相同，筆者提出的自適應(yīng)流量控制算法在存儲擴展網(wǎng)關(guān)處實施，對源端和目的FC 設(shè)備透明。

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