【摘要】：隨著物聯(lián)網(wǎng)、社交網(wǎng)絡(luò)以及智能城市的發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)流量仍在迅速增長。流量工程可以在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,實現(xiàn)對數(shù)據(jù)流分布的精確控制,為不同類型的業(yè)務(wù)提供不同的服務(wù),為關(guān)鍵業(yè)務(wù)提供所需的服務(wù)質(zhì)量(QoS)需求。軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)將控制功能從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中剝離形成一個單獨的控制層,使得SDN控制器可以獲得對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)流量的全局視圖,這為流量工程的實現(xiàn)和端到端的QoS研究提供了新的契機(jī)。網(wǎng)絡(luò)演算是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)性能分析的一種重要理論工具,其利用最小加代數(shù)理論建立了完善的網(wǎng)絡(luò)端到端服務(wù)質(zhì)量上確界分析理論。本文基于網(wǎng)絡(luò)演算理論研究了SDN網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)流量工程的可行方法和理論系統(tǒng)。我們結(jié)合SDN網(wǎng)絡(luò)模型自下而上分三個層次研究了SDN中端到端的QoS保障和流量工程的實施:首先基于網(wǎng)絡(luò)演算理論研究了SDN中控制層剝離的網(wǎng)絡(luò)演算理論模型,分析了不同隊列規(guī)則中的資源共享機(jī)制;其次面向SDN控制層獲取的全局視圖研究了流量矩陣的提取與評估理論,并基于流量矩陣建立了網(wǎng)絡(luò)演算矩陣分析模型;之后基于網(wǎng)絡(luò)演算模型和網(wǎng)絡(luò)演算矩陣?yán)碚撗芯苛薙DN網(wǎng)絡(luò)中的帶寬保障和延遲保障的QoS路由。本文的最后研究了SDN在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)中的應(yīng)用。依上所述,本文的研究內(nèi)容可以歸納為以下四個方面:(1)基于網(wǎng)絡(luò)演算的軟件定義網(wǎng)絡(luò)分析模型在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型中,研究者基于網(wǎng)絡(luò)演算展開了流量分析模型、沖突模型以及網(wǎng)絡(luò)性能上限等方面的研究,而在SDN控制層分離的網(wǎng)絡(luò)范式中,數(shù)據(jù)流沖突模型以及網(wǎng)絡(luò)資源共享機(jī)制都與傳統(tǒng)的OSI網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有著很大的差異。我們依據(jù)Openflow交換機(jī)的功能結(jié)構(gòu)建立了在SDN控制層剝離架構(gòu)下交換機(jī)的數(shù)據(jù)流沖突模型,研究了聚合沖突和交換沖突兩種情形;基于網(wǎng)絡(luò)演算分析了通用的網(wǎng)絡(luò)資源共享機(jī)制,研究了丟尾策略先入先出、隨機(jī)公平排隊和分層口令桶三種資源共享調(diào)度策略。這部分的研究工作為網(wǎng)絡(luò)演算在SDN中的應(yīng)用提供了基礎(chǔ),為SDN控制層利用網(wǎng)絡(luò)演算提供端到端的QoS保障提供了支撐。(2)軟件定義網(wǎng)絡(luò)流量矩陣和服務(wù)矩陣流量矩陣反映整個網(wǎng)絡(luò)的流量負(fù)載情況,為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、流量工程和路由優(yōu)化提供決策依據(jù)。而流量工程研究目前面臨的主要難題仍有兩個,一是監(jiān)測損耗低且監(jiān)測、評估精確度高的流量矩陣提取仍有困難,二是如何將流量矩陣有效地用于流量工程和QoS保障仍缺乏完善的理論系統(tǒng)。我們基于SDN中Openflow協(xié)議的事件信息,在SDN網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)了一種響應(yīng)式流量矩陣提取與評估算法,通過Openflow指令查詢網(wǎng)絡(luò)中核心鏈路的流量負(fù)載,估測聚合鏈路的流量信息,構(gòu)建一個完整的流量矩陣。并基于網(wǎng)絡(luò)演算理論在流量矩陣的基礎(chǔ)上提出了服務(wù)矩陣和剩余服務(wù)矩陣?yán)碚?在SDN中提出了網(wǎng)絡(luò)演算的矩陣化方法。這部分研究有效地解決了SDN中流量工程應(yīng)用所面臨的工程和理論的部分困難。(3)軟件定義網(wǎng)絡(luò)QoS保障的路由實施流量工程的目的是在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,控制不同的業(yè)務(wù)選擇不同的路徑,并對關(guān)鍵業(yè)務(wù)提供帶寬、延遲等QoS保障。在這部分研究中我們基于上述工作中的SDN網(wǎng)絡(luò)演算分析模型、流量矩陣和服務(wù)矩陣?yán)碚撗芯苛薗oS保障的路由算法,實現(xiàn)了SDN網(wǎng)絡(luò)中帶寬保障路由、延遲保障路由等流量工程功能。并構(gòu)建了基于Mininet、Ryu和OVS的仿真平臺,驗證上述路由算法。這部分研究將網(wǎng)絡(luò)演算分析模型和服務(wù)矩陣?yán)碚撨\(yùn)用于流量工程,為流量工程的研究提供了新的研究途徑。(4)軟件定義無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由WSNs是物聯(lián)網(wǎng)和智能城市的核心技術(shù)之一,SDN的產(chǎn)生為WSNs硬件資源的重復(fù)利用、網(wǎng)絡(luò)管理帶來了新的契機(jī)和挑戰(zhàn),軟件定義WSNs中的網(wǎng)絡(luò)管理并不能脫離傳統(tǒng)的WSNs路由技術(shù)。我們研究了WSNs中動態(tài)環(huán)境和靜態(tài)環(huán)境中的改進(jìn)型路由算法:基于AODV協(xié)議的原理,在路由發(fā)現(xiàn)和路由建立之間通過評估路由的能量和負(fù)載,建立能效更高、鏈路更穩(wěn)定的路由�；赟DN-WISE的工作采用Python實現(xiàn)了一個SDN控制器,驗證了軟件定義WSNs的工作原理,提出了資源集約的路由協(xié)議,仿真測試了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下源端和目的端之間的跳數(shù)、發(fā)送/接收占空比等指標(biāo)。結(jié)果表明SDN為WSNs網(wǎng)絡(luò)帶來的網(wǎng)絡(luò)管理的可編程性對于資源受限性的無線傳感器節(jié)點具有重要的積極意義。綜上所述,本文主要對SDN中網(wǎng)絡(luò)演算理論、流量矩陣?yán)碚撘约癚oS保障的路由算法展開了深入研究,為SDN中流量矩陣的提取、網(wǎng)絡(luò)演算理論的系統(tǒng)化提供了研究方法,并研究了SDN在WSNs中的應(yīng)用,具有一定的理論意義和應(yīng)用價值。
【學(xué)位授予單位】：國防科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP393.0

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2781843