軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Networking,SDN）作為一種新型的網(wǎng)絡(luò)范式,解決了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議臃腫、網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新困難等問題,但仍面臨著諸多挑戰(zhàn)如負(fù)載均衡與節(jié)能.為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn),本文設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)機(jī)制用以解決SDN面臨的負(fù)載均衡與節(jié)能問題.首先,本文提出SDN負(fù)載均衡與節(jié)能機(jī)制的框架.整個(gè)框架分為流量監(jiān)測(cè)機(jī)制、路由和流調(diào)度機(jī)制、OpenFlow協(xié)議部分和基礎(chǔ)設(shè)施部分.其中,流量監(jiān)測(cè)機(jī)制負(fù)責(zé)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)近似實(shí)時(shí)的狀態(tài),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流級(jí)別的流量測(cè)量;路由和流調(diào)度機(jī)制負(fù)責(zé)在對(duì)即將休眠或可能出現(xiàn)擁塞的鏈路進(jìn)行流調(diào)度;OpenFlow協(xié)議負(fù)責(zé)控制平面和數(shù)據(jù)平面之間的交互;基礎(chǔ)設(shè)施部分在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的同時(shí)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流路徑快速地安裝和更新.其次,本文設(shè)計(jì)了一種基于網(wǎng)絡(luò)整體流量和數(shù)據(jù)流速率變化的動(dòng)態(tài)輪詢算法,實(shí)現(xiàn)了以較小的開銷獲得流級(jí)別的流量測(cè)量.然后,本文提出一種基于鏈路偏好的隨機(jī)路由算法和兩種流調(diào)度算法以實(shí)現(xiàn)SDN的動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡與節(jié)能.在路由算法中,本文綜合負(fù)載均衡與節(jié)能兩個(gè)因素,將鏈路利用率映射為鏈路的偏好,根據(jù)鏈路的偏好對(duì)鏈路上的流量進(jìn)行調(diào)控,進(jìn)而使得數(shù)據(jù)流在路由階段就能實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡與節(jié)能... 

【文章來源】：計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào). 2020,43(10)北大核心EICSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：14 頁(yè)

【部分圖文】：

系統(tǒng)框架圖

由于鏈路是全雙工的工作方式，因此本文將一條真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)鏈路抽象為兩條反向的邏輯鏈路，每條邏輯鏈路對(duì)應(yīng)一條有向邊，如圖2所示．每一條有向邊用edge(id,s,t,ports,portt,state,bw,rw,capacity,ratio,favor,lifelow,lifehigh,flowset）表示．其中id為邊的標(biāo)識(shí)，s代表邊的出節(jié)點(diǎn)，t代表邊的入節(jié)點(diǎn)，ports代表出端口，portt代表入端口，stateF為邊的狀態(tài)，表示邊的休眠或開啟．bw為邊的占用帶寬，rw為邊的剩余帶寬，capacity為邊的帶寬容量，ratio為邊的帶寬利用率，favor為邊的偏好權(quán)重．lifelow和lifehigh是為了防止邊被頻繁休眠或喚醒而設(shè)置的緩沖生命值，lifelow為邊帶寬利用率低于閾值的生命值，lifehigh為邊帶寬利用率高于閾值的生命值，其作用與流表項(xiàng)中的空閑超時(shí)相似，當(dāng)一條有向邊利用率低于某閾值時(shí)，其lifelow逐漸遞減；當(dāng)其利用率一旦超過閾值，則其lifelow將恢復(fù)到初始值，當(dāng)且僅當(dāng)有向邊的lifelow小于0時(shí)，有向邊被休眠．flowset為經(jīng)過這條邊的所有數(shù)據(jù)流id集合．每條有向邊的能耗與其出端口相關(guān)聯(lián)，如圖2所示，edge1的能耗為port1的能耗，edge2的能耗為port2的能耗．假設(shè)休眠的邊的能耗為EEdgesleep，開啟狀態(tài)的邊的能耗為EEdgewake，則EEdgesleep和EEdgewake的計(jì)算分別如式（6）和（7）所示．

基于鏈路偏好的隨機(jī)路由算法（Preference-based Random Routing algorithm,PbRR）的特點(diǎn)是隨機(jī)性與動(dòng)態(tài)性．其隨機(jī)性體現(xiàn)在選擇下一跳的過程中．采用了Softmax的思想，對(duì)于當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)有利的下一跳并不是一定選擇，而是賦予其較大的被選概率，同樣對(duì)于當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不利的下一跳賦予其較小的被選概率．其動(dòng)態(tài)性體現(xiàn)在偏好隨有向邊帶寬利用率和網(wǎng)絡(luò)流量動(dòng)態(tài)變化，如圖3所示．本文將有向邊的利用率通過函數(shù)映射為偏好，轉(zhuǎn)化曲線是一條對(duì)稱的凸曲線，其對(duì)稱軸就是活躍鏈路的平均利用率，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)整體流量偏低時(shí)，利用率與偏好的映射曲線如曲線1所示，隨著網(wǎng)絡(luò)整體流量的上升，整個(gè)曲線隨之向右移動(dòng)，如曲線2或曲線3所示．以曲線2為例說明它為什么能同時(shí)實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡與節(jié)能的效果：當(dāng)活躍鏈路的利用率在對(duì)稱軸左側(cè)時(shí)，若利用率相對(duì)較低，其偏好映射也將非常低，進(jìn)而導(dǎo)致這條鏈路被選中的概率很小，對(duì)于新到達(dá)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流起到抑制的作用，經(jīng)過一段時(shí)間，它的利用率甚至可能會(huì)下降到0，此時(shí)這條鏈路就進(jìn)入到休眠狀態(tài)；若利用率相對(duì)較高，那么該鏈路將很容易被數(shù)據(jù)流選中，使得它的利用率上升，偏好也隨之上升，這將對(duì)它起到一個(gè)促進(jìn)作用，使鏈路的利用率向均值靠攏．當(dāng)活躍鏈路的利用率在對(duì)稱軸右側(cè)時(shí)，假定其被大象流選中，利用率迅速上升，偏好則會(huì)隨之下降，這將抑制該鏈路被新的數(shù)據(jù)流選中，從而可以有效緩解鏈路的擁塞．


本文編號(hào)：3140002