【摘要】：傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)之初基于高可靠性的考慮,采用了控制面和數(shù)據(jù)面緊耦合、全分布式的架構(gòu)設(shè)計(jì)。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大、應(yīng)用場(chǎng)景的復(fù)雜化,以及業(yè)務(wù)類型的不斷豐富,這樣的設(shè)計(jì)如今在全局業(yè)務(wù)優(yōu)化管理、功能定制、新協(xié)議部署等方面存在嚴(yán)重不足,制約了網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新。面對(duì)這些問(wèn)題,最近興起的軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(Software-defined Networking,SDN)采用將網(wǎng)絡(luò)控制面從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備中分離,并匯聚到邏輯中心控制器、構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì);借助網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)開(kāi)放的編程接口,管理者可以通過(guò)編寫應(yīng)用軟件的方式,按需、靈活地定義網(wǎng)絡(luò)。這些優(yōu)點(diǎn)使SDN受到了廣泛關(guān)注,并在企業(yè)網(wǎng)、廣域網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心等場(chǎng)景部署應(yīng)用。作為新興技術(shù),SDN在應(yīng)用中還存在問(wèn)題。在實(shí)施轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則配置和流調(diào)度上,目前的SDN面臨三類顯著問(wèn)題,即:1)當(dāng)前高速OpenFlow設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則物理存儲(chǔ)空間受限,制約SDN的使用;2)在SDN控制器進(jìn)行全網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則重配置過(guò)程中,網(wǎng)絡(luò)可能出現(xiàn)語(yǔ)義不一致和暫態(tài)鏈路擁塞;3)數(shù)據(jù)中心需要結(jié)合應(yīng)用特點(diǎn)調(diào)度流,但簡(jiǎn)單的集中式調(diào)度控制器會(huì)成為性能瓶頸。本文以這三類問(wèn)題為關(guān)注點(diǎn)展開(kāi)具體研究,主要包含以下三部分工作。1.OpenFlow轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備流表的高效聚合與增量更新針對(duì)目前高速SDN/OpenFlow設(shè)備流表空間受限,制約SDN使用的問(wèn)題,本文根據(jù)流表規(guī)則內(nèi)在特點(diǎn),設(shè)計(jì)高效的規(guī)則快照式聚合方法FFTA,和對(duì)應(yīng)的增量更新合并方法iFFTA。給定一組轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則,FFTA能夠分析它們包含的冗余信息,高效地將其聚合為更少的條目,減少轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則對(duì)設(shè)備TCAM硬件容量的需求;當(dāng)原始的規(guī)則發(fā)生更改時(shí),iFFTA能夠根據(jù)已聚合規(guī)則的結(jié)構(gòu)信息,迅速將增量更新內(nèi)容合并到已聚合的流表中,保證轉(zhuǎn)發(fā)語(yǔ)義正確。這樣的規(guī)則聚合方案不會(huì)更改轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則表的語(yǔ)義,無(wú)需修改OpenFlow協(xié)議,能夠直接在控制器上實(shí)現(xiàn)。測(cè)試結(jié)果表明,本文方案設(shè)計(jì)的算法比現(xiàn)有同類算法聚合效果更好,運(yùn)算速度更快,能夠有效緩解高速設(shè)備所面臨的物理流表空間不足的問(wèn)題。2.網(wǎng)絡(luò)更新中轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則的一致性保障和鏈路擁塞的避免針對(duì)控制器對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)則更新過(guò)程中,不同設(shè)備新規(guī)則生效時(shí)間不可控可能導(dǎo)致規(guī)則混用,引發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)故障的問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了通用的兩階段更新機(jī)制。該機(jī)制沿用了讓數(shù)據(jù)包攜帶版本號(hào)避免規(guī)則混用的思路,在實(shí)現(xiàn)上借助轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則的通配能力,避免規(guī)則產(chǎn)生冗余復(fù)制,規(guī)范了更新過(guò)程,使網(wǎng)絡(luò)支持多更新并發(fā)執(zhí)行。針對(duì)控制器進(jìn)行業(yè)務(wù)遷移過(guò)程中,熱點(diǎn)鏈路可能因?yàn)檫w移執(zhí)行不可控引發(fā)暫態(tài)過(guò)載的問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了用戶可定制的更新編排方案。該方案能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)管理者對(duì)更新的要求,轉(zhuǎn)化為更新執(zhí)行調(diào)度計(jì)算的約束和優(yōu)化目標(biāo),并自動(dòng)構(gòu)建優(yōu)化模型,找到符合用戶要求的更新調(diào)度方案,避免鏈路過(guò)載。仿真測(cè)試表明,本文提出的一致性保障方案和擁塞避免方案均顯著優(yōu)于現(xiàn)有設(shè)計(jì)。3.數(shù)據(jù)中心應(yīng)用需求驅(qū)動(dòng)的分布式流調(diào)度針對(duì)數(shù)據(jù)中心集中式網(wǎng)絡(luò)控制在實(shí)現(xiàn)應(yīng)用協(xié)作流(又稱Coflow)調(diào)度時(shí)面臨性能瓶頸的問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了高效的分布式協(xié)作流調(diào)度方案。在不同場(chǎng)景中,系統(tǒng)中的應(yīng)用對(duì)Coflow傳輸調(diào)度會(huì)追求不同的優(yōu)化目標(biāo)。當(dāng)前最普遍的兩類目標(biāo)是:1)在時(shí)延不敏感場(chǎng)景中,最小化系統(tǒng)中Coflow的平均完成時(shí)間,優(yōu)化系統(tǒng)的整體效率;2)在時(shí)延敏感場(chǎng)景中,最小化錯(cuò)過(guò)完成時(shí)限要求的Coflow數(shù)目,優(yōu)化系統(tǒng)整體收益。本文對(duì)Coflow的傳輸優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了建模分析,根據(jù)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的特點(diǎn),并借鑒并行多機(jī)任務(wù)調(diào)度研究中的發(fā)現(xiàn),分別設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的分布式調(diào)度方案D-CAS和D2-CAS。在設(shè)計(jì)思路上,它們均根據(jù)業(yè)務(wù)的特點(diǎn),將不同目標(biāo)下流調(diào)度的具體計(jì)算從集中控制器中解耦、簡(jiǎn)化,并分散到每個(gè)發(fā)送主機(jī)。此種設(shè)計(jì)既避免了控制器成為性能瓶頸,也提供了高可靠性。仿真結(jié)果表明,這兩個(gè)分布式方案均顯著優(yōu)于同類設(shè)計(jì),并且能夠逼近甚至超過(guò)現(xiàn)有集中式調(diào)度方案的性能。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP393.0
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本文編號(hào)：2558417