【摘要】：傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計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。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大、應(yīng)用場景的復(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重不足,制約了網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新。面對這些問題,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;借助網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)開放的編程接口,管理者可以通過編寫應(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)中心等場景部署應(yīng)用。作為新興技術(shù),SDN在應(yīng)用中還存在問題。在實施轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則配置和流調(diào)度上,目前的SDN面臨三類顯著問題,即:1)當前高速OpenFlow設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則物理存儲空間受限,制約SDN的使用;2)在SDN控制器進行全網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則重配置過程中,網(wǎng)絡(luò)可能出現(xiàn)語義不一致和暫態(tài)鏈路擁塞;3)數(shù)據(jù)中心需要結(jié)合應(yīng)用特點調(diào)度流,但簡單的集中式調(diào)度控制器會成為性能瓶頸。本文以這三類問題為關(guān)注點展開具體研究,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目前高速SDN/OpenFlow設(shè)備流表空間受限,制約SDN使用的問題,本文根據(jù)流表規(guī)則內(nèi)在特點,設(shè)計高效的規(guī)則快照式聚合方法FFTA,和對應(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)則對設(shè)備TCAM硬件容量的需求;當原始的規(guī)則發(fā)生更改時,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)語義正確。這樣的規(guī)則聚合方案不會更改轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則表的語義,無需修改OpenFlow協(xié)議,能夠直接在控制器上實現(xiàn)。測試結(jié)果表明,本文方案設(shè)計的算法比現(xiàn)有同類算法聚合效果更好,運算速度更快,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控制器對網(wǎng)絡(luò)進行規(guī)則更新過程中,不同設(shè)備新規(guī)則生效時間不可控可能導(dǎo)致規(guī)則混用,引發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)故障的問題,本文設(shè)計了通用的兩階段更新機制。該機制沿用了讓數(shù)據(jù)包攜帶版本號避免規(guī)則混用的思路,在實現(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)范了更新過程,使網(wǎng)絡(luò)支持多更新并發(fā)執(zhí)行。針對控制器進行業(yè)務(wù)遷移過程中,熱點鏈路可能因為遷移執(zhí)行不可控引發(fā)暫態(tài)過載的問題,本文設(shè)計了用戶可定制的更新編排方案。該方案能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)管理者對更新的要求,轉(zhuǎn)化為更新執(zhí)行調(diào)度計算的約束和優(yōu)化目標,并自動構(gòu)建優(yōu)化模型,找到符合用戶要求的更新調(diào)度方案,避免鏈路過載。仿真測試表明,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。3.數(shù)據(jù)中心應(yīng)用需求驅(qū)動的分布式流調(diào)度針對數(shù)據(jù)中心集中式網(wǎng)絡(luò)控制在實現(xiàn)應(yīng)用協(xié)作流(又稱Coflow)調(diào)度時面臨性能瓶頸的問題,本文設(shè)計了高效的分布式協(xié)作流調(diào)度方案。在不同場景中,系統(tǒng)中的應(yīng)用對Coflow傳輸調(diào)度會追求不同的優(yōu)化目標。當前最普遍的兩類目標是:1)在時延不敏感場景中,最小化系統(tǒng)中Coflow的平均完成時間,優(yōu)化系統(tǒng)的整體效率;2)在時延敏感場景中,最小化錯過完成時限要求的Coflow數(shù)目,優(yōu)化系統(tǒng)整體收益。本文對Coflow的傳輸優(yōu)化問題進行了建模分析,根據(jù)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的特點,并借鑒并行多機任務(wù)調(diào)度研究中的發(fā)現(xiàn),分別設(shè)計了對應(yīng)的分布式調(diào)度方案D-CAS和D2-CAS。在設(shè)計思路上,它們均根據(jù)業(yè)務(wù)的特點,將不同目標下流調(diào)度的具體計算從集中控制器中解耦、簡化,并分散到每個發(fā)送主機。此種設(shè)計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,這兩個分布式方案均顯著優(yōu)于同類設(shè)計,并且能夠逼近甚至超過現(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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP393.0
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本文編號：2558417