浅析数据中心低时延实现

浅析数据中心低时延实现

蔡金涛

陕西广电网络传媒（集团）股份有限公司 陕西西安 710061

简要：数据中心服务领域的创新集中在推动产业提供低延迟性能的设备和服务。随着业务的发展，低延迟成为一个日益重要的因素。本文重点研究实现数据中心低延迟的措施，希望可以给相关从业者以参考。

关键词：数据中心；低延迟；措施

一 优化传输层实现低延迟

首先明确一点，延时的很大一部分是认为设定的，设太小了就没法通信了。以lte为例，lte帧结构，一个符号长度10ms了。保护间隔0.7-0.07ms不等。通信质量差的话保护间隔cp达到符号的1/10。对于802.11标准，cp达到最多20%（800ns，4us），cp占的小了，无法抵消多径的影响。而cp值的选取，取决传输距离。s=vt，wifi计算后的距离在240米左右，基本是室内的范围。lte计算后的距离大约是几十公里，也就是基站的覆盖范围。实际的延时会大于理论值，是因为1 肯定有丢包和重传，2 没法做到只传有效数据，还有个协议层大量的字头，校验位，控制信息。不改变应用场景的话降低延时只能通过精简控制信息和字头或提高传输质量实现。总之，延时中很大部分来源于通信协议的设定，而这个设定实际是人根据应用场景，各方面平衡后得到的一个最优最可行结果。没有必要抛弃其他条件(速率，稳定性)而刻意追求延时。

数据中心网络传输层协议主要采用远程直接数据存取(Remote Direct Memory Acces，RDMA)、基于优先级的流量控制（Priority-based ）

Flow Control，PFC)、显式拥塞通知（Explicit Congestion Notification，

ECN）等技术应用于优化拥塞控制与流调度方面来降低传输时延。RDMA的实现协议包括：无线宽带InfiniBand(IB)、RDMA 过融合以太网(RoCE)、互联网广域RDMA协议(iWARP)。这些也是数据中心网络传输层协议中常见的协议。

在以太网中，每个网络设备都会尽力的把数据转发给下游的设备。当下游设备处理能力不足的时候，网络就会出现拥塞或者丢包，所以网络本身是不可靠的，无论是TCP或者RDMA协议，网络拥塞和丢包重传都会让业务性能受到影响， 尤其是RDMA协议对网络丢包的容忍度更低。为达到RDMA网络的“零”丢包效果，必须进行流控，主要采用PFC+ECN流控。

二 利用5G技术实现低延迟

移动设备和服务器间的通信分为两部分∶1. 移动设备到基站（5G） 2. 基站到服务器（核心网）。5G只负责前半部分的移动设备与基站间的通信，这部分的时延被称为空口时延。相比4G时代，5G时代的空口时延有望被大大的降低。5G的时延只是空口时延，虽然有望大幅降低到10毫秒级，但如此一来，制约通信体验的瓶颈就不再是空口时延，而是之后的网络时延。这部分就不是5G所能负责的了，而且距离远的时候，我们是不可能突破物理规律的，也就是信息传递速度不能超过光速。

延迟主要发生在网络设备的数据交换过程，空中传输影响不大，都是光速传播，理论可以理解为300公里1ms的传输延迟，但实际不是这样，跟波长短有关，5G的载波一次传输距离比4G短，就需要更多中间网络设备来接力传输，每次交换都会带来延迟，距离越远，交换次数越多，延迟就越大。此外，5G的低延迟仅仅解决了客户端跟基站之间的延迟，对于传统路由部分的延迟并没有解决。

相比较与2G和3G网络，4G网络去除了网元RNC，从而基站可以直接和核心网通信。那么RNC是什么呢，说白了核心网是厂家，基站是客户，那RNC就是厂家和客户之间沟通的中间商。去除了网元RNC，权利下放基站直接通信核心网，没了中间商赚差价（信令流程）自然时延就上去了，这就是4G时延比2.3G大大提升的原因之一。那么5G网络中改变的硬件是对整体网络的最终端天馈系统的改变，说白了也就是对天线的改变。4G基站是由机房BBU用野战光缆连接RRU使用½馈线连接天线组成，图为塔上天线侧，红框为RRU，黑框为天线，从2G到5G，对整体网络架构的一步步优化与简化，才让时延降低很多。

朴素的来讲,总延迟可以分为手机自己处理信息的延迟,手机的信息传到基站,基站各种姿势接入主干网,主干网找到服务器,服务器处理,然后再原路返回这期间所有动作的延迟之和,大多数的延迟都在服务器端和手机端产生,中间线路上的延迟一般都很低。5G能管的就是从手机到基站这一截,5g网络在核心网侧（通常架设在省会城市）也有很多变化，比如nfv，cu分离，sba，网络切片等等，这样可以实现核心网部分功能下沉，比如在基站架设服务器等，进而降低传输时延。

三 网络层拓扑结构优化

合理的拓扑结构和路由器方案同样有助于通过消除热点、实现负载均衡的方式降低数据中心网络的时延。

无线数据中心网络架构目前往往采用60GHz 无线电模块或者空间激光收发器（FSO, free space optical）作为基础模块进行搭建，从而实现高度灵活的链路调配。

全光网络交换架构正是为了解决电互连网络通信瓶颈和能耗问题而提出的高性能计算系统互连解决方案。在全光网络中，所有的交换器件都是透明的，即所有交换功能均在光信号上实现，无需光电转换。

四 结语

从上文的叙述中我们可以知道，实现数据中心低延迟可以从三方面入手，传输协议、技术改进和拓扑结构和路由器设计方案。在传输协议层面，我们还需要进行进一步的解耦，利用垂直整合的数据中心操作系统的软硬件协同设计，使用可重构性架构，以适应多变的流量模式。在组网结构方面，全光网络和极简网络会进一步降低数据中心的网络时延。

参考文献

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