蔡昭權，胡 輝，秦磊華，曹建忠

(1.惠州學院 教育技術中心，廣東 惠州516007;2.華中科技大學 計算機科學與技術學院，湖北 武漢430074;3.惠州學院 電子科學系，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)絡存儲技術之一，并廣泛應用于各類數(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)丟失風險，提高數(shù)據(jù)和應用系統(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，該方法通過固定設置擴展網(wǎng)關緩存隊列的高、低門限值，并根據(jù)隊列的實際長度與高、低門限值的關系，調(diào)整Credit更新的頻率。文獻［5］的研究結果表明: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置接收端隊列高、低門限值的基礎上，所設置的門限值未進行優(yōu)化。筆者在文獻［5－9］研究工作的基礎上，提出了一種自適應的FC 存儲擴展流量控制方法。一方面，根據(jù)存儲擴展網(wǎng)關中隊列的長度與設定的隊列高、低門限值之間的關系調(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)接收端服務率調(diào)整隊列低門限值。

1 自適應FC 流量控制算法設計

算法中用到的相關變量說明如下: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)標志，當隊列長度大于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)接收方端處理或轉發(fā)的FC 幀數(shù)量。當接收緩存隊列中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，從而導致處理效率降低。因此，當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 的值可延緩停發(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)設置

為便于比較筆者提出的自適應算法的效果，建立了5 個仿真場景，設置不同的隊列高、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)行的是標準的FC 流量控制協(xié)議，設置該場景的目的是便于與筆者提出的自適應流量控制算法進行比較［12］。

2.2 仿真結果及分析

(1)自適應流量控制算法的Credit 特性。對表2 中的所有場景進行仿真，研究自適應算法的Credit 特性，仿真結果與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 可以看出自適應流量控制算法中Credit 更新具有下列特性:①與標準的FC 流量控制算法相比，自適應流量控制算法中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，自適應算法中Credit_Count 具有更好的平穩(wěn)性。

圖1 與標準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 所示的仿真結果展示了自適應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 所示的仿真結果可以看出，自適應流量控制算法下，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，自適應流量控制算法中隊列長度的平穩(wěn)性最好。

(3)自適應流量控制算法對排隊時延的影響。圖4 所示的仿真結果展示了自適應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 自適應算法與其他算法對隊列長度影響的對比

圖4 自適應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)，自適應算法中排隊時延長的穩(wěn)定性也最好。

(4)自適應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發(fā)或處理的FC 幀的總數(shù)進行記數(shù)。最后的統(tǒng)計結果如圖5 所示。

圖5 自適應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，自適應流量控制算法并未影響接收端處理FC 幀的效率。

3 結論

(1)與文獻［5］提出的算法相比，筆者提出的自適應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，筆者提出的自適應流量控制算法在存儲擴展網(wǎng)關處實施，對源端和目的FC 設備透明。

［1］ SIEGEL E，TERRILL B. Extending the SAN over the WAN［J］.IT Architect，2005，20(11):14－16.

［2］ ANSI INCITS 414－2006.Fibre Channel－Backbone－3(FC－BB－3)［EB/OL］.［2012－11－07］. http://www.t11.org/ftp/t11/ pub/fc/bb－3/03－764v0.pfd.

［3］ TELIKEPALLI R，DRWIGGA T，YAN J. Storage area network extension solutions and their performance assessment［J］. IEEE Communications Magazine，2004，42(4):56－62.

［4］ 林強，熊華鋼，張其善. 強實時約束條件下光纖通道交換網(wǎng)絡消息集優(yōu)化［J］. 電子學報，2006，34(2):344－347.

［5］ LING Q，XIONG H G，ZHANG Q S. Optimization design of message set for switch fabric under hard real time constraints［J］.Acta Electronica Sinica，2006，34(2):344－347.

［6］ 秦磊華，周敬利，余勝生.一種改進的光纖通道存儲擴展流量控制算法［J］. 電子學報，2009，37(10):2343－2347.

［7］ QIN L H，ZHOU J L，YU S S.An improved flow control mechanism for FC－SAN storage extension［J］. Acta Electronica Sinica，2009，37(10):2343－2347.

［8］ 蔡昭權，秦磊華，羅偉，等. 光纖通道流量控制的OPNET 仿真模型設計［J］. 計算機工程，2011，37(8):102－104.

［9］ 劉煒.FCIP 跨層流量控制的設計與實現(xiàn)［D］.武漢:華中科技大學圖書館，2011.

［10］秦磊華，蘇彥君，張宗平.光纖通道存儲區(qū)域網(wǎng)擴展研究［J］.計算機工程，2008，24(33):109－111.

［11］李馨，葉明.OPNET Modeler 網(wǎng)絡建模與仿真［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2006:54－87.

［12］蔡昭權，秦磊華.光纖通道流量控制協(xié)議性能分析與應用［J］.通信技術，2008，41(5):111－115.