本文選題：數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)　切入點：資源管理　出處：《國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：數(shù)據(jù)中心是互聯(lián)網(wǎng)和云計算的基礎(chǔ)支撐平臺,是一個國家信息技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志,正成為各國新的戰(zhàn)略競爭點。數(shù)據(jù)中心雖然由來已久,但圍繞數(shù)據(jù)中心的研究方興未艾。特別是近年來,隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)和應(yīng)用的飛速發(fā)展,作為基礎(chǔ)平臺的數(shù)據(jù)中心也得到了快速發(fā)展,其組成、結(jié)構(gòu)、功能、規(guī)模及應(yīng)用模式等各方面正發(fā)生深刻的變革。網(wǎng)絡(luò)資源是數(shù)據(jù)中心的緊缺資源,深入研究分析現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)資源管理與性能優(yōu)化的技術(shù)和方法,對于揭示數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的基本工作機理,提高數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)運行效率,節(jié)省成本和開銷,具有十分重要的理論和現(xiàn)實意義。地址自動配置技術(shù)、傳輸控制協(xié)議、流量管理技術(shù)等是現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)資源管理與性能優(yōu)化的重要內(nèi)容,對提高數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)運行效率具有十分基礎(chǔ)和關(guān)鍵的作用。本文從數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的基本特征出發(fā),以網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化為目標(biāo),分別對以上三個方面開展了研究。全文的主要工作及創(chuàng)新點如下:1.系統(tǒng)分析了現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)特征及其對網(wǎng)絡(luò)資源管理的影響。網(wǎng)絡(luò)特征研究是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源管理和性能優(yōu)化的基礎(chǔ)。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用模式、網(wǎng)絡(luò)流量及虛擬化等方面對現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的特征進(jìn)行了分析總結(jié),并就這些特征對網(wǎng)絡(luò)資源管理和性能優(yōu)化可能產(chǎn)生的影響和挑戰(zhàn)進(jìn)行了分析研究。主要結(jié)論包括:○1在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面,現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)正從傳統(tǒng)的樹形層次結(jié)構(gòu),向胖樹結(jié)構(gòu)和非樹形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。○2在應(yīng)用模式方面,現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)正從傳統(tǒng)的企業(yè)自建、自主運維的方式向公共云服務(wù)轉(zhuǎn)變,資源以動態(tài)、彈性、按需的方式在不同的租戶和應(yīng)用之間分配和共享使用。○3在網(wǎng)絡(luò)流量方面,集群通信是數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的典型通信模式;網(wǎng)絡(luò)流在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部分布不均勻,表現(xiàn)出局部性和動態(tài)性。○4在網(wǎng)絡(luò)虛擬化方面,現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心普遍采用虛擬化技術(shù),虛擬機作為資源分配和調(diào)度的基本粒度,為了支持資源的動態(tài)分配,要求數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)為扁平的二層網(wǎng)絡(luò)且動態(tài)可配置虛擬網(wǎng)�，F(xiàn)代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的這些特性,給網(wǎng)絡(luò)資源管理和性能優(yōu)化,如地址自動配置、擁塞控制、流量調(diào)度等提出了新的挑戰(zhàn)。2.深入研究了拓?fù)湎嚓P(guān)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)地址自動配置方法。近年提出的許多數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)其邏輯地址都是拓?fù)湎嚓P(guān)的,即邏輯地址本身包含了位置信息。拓?fù)湎嚓P(guān)的地址自動配置的核心問題是邏輯地址到物理地址的映射問題,直觀上可轉(zhuǎn)化為圖同構(gòu)問題。然而由于一般的圖同構(gòu)算法復(fù)雜度都相當(dāng)高,難以適用于大規(guī)模數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)前的解決方法仍主要基于圖同構(gòu)的基本理論,因而仍面臨性能、效率、容錯性等方面的缺陷。本文首先針對一般的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),提出了一種基于遺傳算法的容錯地址自動映射算法GA-MAP,然后針對當(dāng)前使用最為廣泛的樹形數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò),提出了一種快速地址自動配置算法TREE-CONF。GA-MAP首先將地址映射問題轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問題,然后基于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性,采用改進(jìn)的遺傳算法加以解決。該算法除具有有效的計算性能外,還本質(zhì)地具有良好的容錯特性,能夠?qū)崿F(xiàn)帶故障情況下的網(wǎng)絡(luò)地址自動映射。TREE-CONF則主要針對當(dāng)前使用最為廣泛的樹形數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),提出了一種快速的地址自動映射算法。與一般通用的網(wǎng)絡(luò)地址自動映射算法相比,該算法具有更好的計算性能,對百萬節(jié)點規(guī)模的網(wǎng)絡(luò),能夠在幾秒內(nèi)完成地址映射。3.創(chuàng)新提出了超時/超時代價感知的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。最近的研究表明,數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的許多應(yīng)用面臨某種軟實時限制,超過這種限制將影響到用戶體驗進(jìn)而影響投資回報。而傳統(tǒng)的TCP協(xié)議是超時無關(guān)的,直接將其應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)易引發(fā)超時、擁塞等,進(jìn)而導(dǎo)致低效。針對這一特性,本文首先提出了一種數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)超時感知的傳輸協(xié)議DA-TCP。DA-TCP根據(jù)流的超時時限調(diào)節(jié)流的發(fā)送速率,從而最大限度滿足超時敏感流的傳輸需求。但有時我們或許更關(guān)心流的超時代價,在此情況下,如何合理分配網(wǎng)絡(luò)資源以使得流的總的超時代價最小成為新的研究課題。為此,本文進(jìn)一步提出了一種超時代價感知的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議CA-TCP。CA-TCP根據(jù)流的超時代價和網(wǎng)絡(luò)擁塞程度,動態(tài)調(diào)整發(fā)送速率,仿真結(jié)果表明,與其他協(xié)議相比,CA-TCP通常具有最小的超時代價。4.分別設(shè)計了基于流調(diào)度和VM遷移的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)流量平衡方法。數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)流的數(shù)目巨大。大量的流并發(fā)流經(jīng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò),極易發(fā)生流量不平衡,導(dǎo)致?lián)砣�、丟包和網(wǎng)絡(luò)利用率降低。同時,數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)高帶寬、低延遲、高吞吐率及以老鼠流為主的特性給網(wǎng)絡(luò)流的調(diào)度帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。針對不同網(wǎng)絡(luò)流的特點及對流調(diào)度的不同需求,分別設(shè)計了一種基于流調(diào)度的流量平衡方法SFTB和基于VM遷移的流量平衡方法NVMS。前者利用數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的多路徑特性及TCP的擁塞反饋機制,能夠在RTT級實現(xiàn)流調(diào)度,在不同的傳輸路徑分配和平衡流量,從而實現(xiàn)對短流和突發(fā)流的快速流量平衡。后者則基于網(wǎng)絡(luò)流的長期分布特性,借助VM遷移技術(shù),設(shè)計了一種基于VM在線遷移的流量平衡方法。為了克服大量的流量計算和虛擬機遷移帶來的開銷,算法采用分布式增量遷移的方式,可實現(xiàn)流量平衡和遷移代價之間的平衡。改變網(wǎng)絡(luò)長期的流量分布與短期的流調(diào)度兩者相結(jié)合,可以最大限度實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量平衡,提高網(wǎng)絡(luò)效率。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TP308;TP393.0

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