【摘要】：隨著云計(jì)算、虛擬化等新型應(yīng)用的興起,傳統(tǒng)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)很難適應(yīng)這些應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)的要求,而且,在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的框架下,對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行創(chuàng)新的難度也較大。在這種背景下,研究者提出了軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software-Defined Networking,SDN)的概念,核心思想是將網(wǎng)絡(luò)的控制功能從傳統(tǒng)的設(shè)備中分離出來,實(shí)現(xiàn)了控制的集中化。SDN在解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)問題的同時(shí),由于其集中化控制必然會(huì)使得控制器成為系統(tǒng)的性能瓶頸。而以多個(gè)控制器組成的分布式控制平面來解決此問題又會(huì)面臨網(wǎng)絡(luò)視圖如何高效共享的問題。為了能讓SDN多控制器控制平面中的各個(gè)控制器更加協(xié)調(diào)的運(yùn)行,需要保證控制平面較高的一致性。另一方面,在SDN多控制器分布式集群設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí),各個(gè)控制器會(huì)出現(xiàn)負(fù)載不均衡的情況,為了平衡各控制器節(jié)點(diǎn)之間的負(fù)載,提高系統(tǒng)的負(fù)載均衡度以及資源利用率,需要針對SDN控制平面的負(fù)載均衡進(jìn)行研究。本文針對SDN控制平面一致性問題,對SDN控制平面一致性相關(guān)參數(shù)以事件數(shù)為單位進(jìn)行歸一化,發(fā)現(xiàn)SDN分布式控制平面中,若各個(gè)控制器一致性參數(shù)占總一致性上限比例與其網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生速率的平方根占網(wǎng)絡(luò)所有控制器網(wǎng)絡(luò)事件請求速率平方根之和相等時(shí),可得到當(dāng)前系統(tǒng)一致性上限下的最小通信開銷和最大可用性。根據(jù)該關(guān)系,本文設(shè)計(jì)了一種基于事件發(fā)生速率的SDN控制平面動(dòng)態(tài)一致性算法,該算法由各個(gè)控制器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生速率確定該控制器的一致性參數(shù),每個(gè)控制器節(jié)點(diǎn)的一致性參數(shù)與所有控制器節(jié)點(diǎn)一致性參數(shù)的比例等于該控制器網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生速率的平方根與整個(gè)SDN網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生速率平方根之和之比。通過仿真實(shí)驗(yàn)分析,所提算法與現(xiàn)有算法相比,能夠在保證整個(gè)SDN控制平面可用性盡可能高的同時(shí),有效降低控制平面的通信開銷。SDN控制平面動(dòng)態(tài)一致性算法在有效解決SDN控制平面一致性參數(shù)配置問題的同時(shí),也會(huì)面臨因負(fù)載不均衡導(dǎo)致的參數(shù)配置失衡問題,針對此問題,本文設(shè)計(jì)了基于系統(tǒng)均衡度的SDN控制平面多閾值負(fù)載均衡算法。該算法首先剔除控制器負(fù)載狀態(tài)判定時(shí)用到的重復(fù)、無用參數(shù),然后根據(jù)實(shí)際情況確定閾值的個(gè)數(shù)和數(shù)值,對控制器負(fù)載進(jìn)行判定,更加精準(zhǔn)的描述控制器的各種狀態(tài),避免一般的單閾值、雙閾值判定方法對控制器狀態(tài)描述過于籠統(tǒng)。算法同時(shí)改進(jìn)了交換機(jī)遷移過程中對遷移交換機(jī)及目標(biāo)控制器的選擇方式,有效提高交換機(jī)遷移的效果。仿真實(shí)驗(yàn)證明,與現(xiàn)有算法相比,所提算法能有效平衡各個(gè)控制器的負(fù)載,提升控制平面的負(fù)載均衡度,同時(shí)能加快過載控制器的吞吐量恢復(fù)速度,提升吞吐量恢復(fù)過程中的平均吞吐量。
【圖文】：

現(xiàn)有的控制器負(fù)載均衡策略主要以交換機(jī)遷移（如圖1-1）為主。盡管目前動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡算法的相關(guān)研究取得了一定進(jìn)展，但由于考慮角度和優(yōu)化目標(biāo)不同，各自有著其適用的條件，也存在著不同的缺點(diǎn)。比如，有些算法可在負(fù)載較輕時(shí)取得良好的效果，，但負(fù)載較重時(shí)則效果不佳。另外，大多數(shù)算法主要研究如何獲得較好的負(fù)載均衡效果，忽略了系統(tǒng)開銷代價(jià)及其他因素對系統(tǒng)造成的影響。還有的算法中，交換機(jī)遷移對象選取僵化，遷移策略計(jì)算空間大，算法運(yùn)行周期長，對于多交換機(jī)遷移沖突問題未做過多考慮。鑒于此，本文綜合考慮交換機(jī)與控制器的選擇策略，采用節(jié)點(diǎn)資源的利用率、控制器節(jié)點(diǎn)的性能等指標(biāo)進(jìn)行任務(wù)的分配，提出優(yōu)化的負(fù)載遷移算法，在取得較好負(fù)載均衡效果的同時(shí)盡量降低系統(tǒng)的遷移代價(jià)，提高系統(tǒng)的整體性能。1.3 本文研究內(nèi)容本文主要研究 SDN 架構(gòu)中控制平面的相關(guān)問題。首先針對 SDN 控制平面由單控制器擴(kuò)展為多控制器后面臨的一致性問題。本文首先針對現(xiàn)有的 SDN 控制平面一致性算法和主流架構(gòu)進(jìn)行研究，學(xué)習(xí)各個(gè)算法的優(yōu)點(diǎn)，并指出其不足，針對各個(gè)算法和架構(gòu)取長補(bǔ)短，設(shè)計(jì)了一種基于事件發(fā)生速率的 SDN 控制平面動(dòng)態(tài)一致性算法，該算法首先針對控制平面一致性系數(shù)會(huì)影響到的參數(shù)進(jìn)行歸一化，以網(wǎng)絡(luò)事件數(shù)對其進(jìn)行描述。然后根據(jù)各個(gè)參數(shù)的表達(dá)式研究一致性系數(shù)對其的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)各個(gè)控制器節(jié)點(diǎn)的一致性系數(shù)與總體一致性系數(shù)之比等于該控制器

北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文為基礎(chǔ)設(shè)施層。位于最上層為應(yīng)用層主要面向 SDN 所要提供各類服務(wù)程序；的控制層分別與應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層進(jìn)行交互，通過對下層基礎(chǔ)設(shè)施的調(diào)度來完層應(yīng)用的功能實(shí)現(xiàn)；數(shù)據(jù)層則主要執(zhí)行來自控制層的命令，實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)，同時(shí)還要向控制層匯報(bào)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn) SDN 架構(gòu)中各層之間的協(xié)調(diào)，還需要兩個(gè)重要的通信接口——應(yīng)用層和控制層之間的北向接口，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)和控制器之間的南向接口。在 ONF 定義的 SDN 架構(gòu)中使用的南向接口協(xié)議pen Flow，而北向接口的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)還未有明確規(guī)定[57]。該架構(gòu)由 ONF 提出由于其能明確表達(dá) SDN 與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的不同，且對各個(gè)方面的特性皆表達(dá)的明確，已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界普遍認(rèn)可的架構(gòu)，被廣大研究者繼續(xù)沿用。
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP393.0

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本文編號(hào)：2605375