隨著現(xiàn)有IP網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的日益紛繁復(fù)雜,受限于分布式的控制邏輯,現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的管理面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Softwaredefined Networking,SDN)這一新型架構(gòu)的出現(xiàn)為這一挑戰(zhàn)帶來了新的解決思路。SDN將網(wǎng)絡(luò)中的控制邏輯從底層轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備中解耦至邏輯集中式的控制器,使網(wǎng)絡(luò)控制趨向中心化,并允許網(wǎng)絡(luò)管理者站在全局視角對(duì)全網(wǎng)資源進(jìn)行統(tǒng)一管理調(diào)度。本文首先從SDN中的底層設(shè)備(即交換機(jī))入手,討論了如何為交換機(jī)設(shè)計(jì)資源分配機(jī)制以提供處理SDN控制消息的時(shí)延保證,隨后結(jié)合SDN的兩大重要應(yīng)用場(chǎng)景,即數(shù)據(jù)中心與公有云,探討了引入SDN后所面臨的資源分配問題。本文主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)SDN交換機(jī)中TCAM流表資源分配現(xiàn)有SDN應(yīng)用會(huì)對(duì)流進(jìn)行大量的重配置,需要頻繁修改交換機(jī)中存儲(chǔ)于三態(tài)內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器(Ternary Content Addressable Memory,TCAM)中的流表,但是TCAM流表規(guī)則插入時(shí)延(Rule Installation Time,RIT)波動(dòng)較大并且常常不可預(yù)測(cè),從而對(duì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用造成不可忽視的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),TCAM規(guī)則插入時(shí)的高時(shí)延會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的任務(wù)完成時(shí)間延長40% 60%倍之多。為此,本文提出了一種方案,將TCAM流表拆分為影子流表和主流表,以減少TCAM規(guī)則插入時(shí)延并提供上限保證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這一方案能夠保證規(guī)則插入時(shí)延不高于5ms,并且?guī)淼念~外TCAM開銷不超過5%。同時(shí),這一方案能使網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的任務(wù)完成時(shí)間降低約80%。(2)SDN交換機(jī)中計(jì)算資源分配在SDN交換機(jī)進(jìn)行流的重配置時(shí),通常需要對(duì)控制消息進(jìn)行解析等操作(例如將控制消息轉(zhuǎn)換為流表規(guī)則),這一類操作會(huì)受到以CPU處理能力為代表的交換機(jī)計(jì)算資源的影響。為此,本文結(jié)合虛擬化技術(shù)設(shè)計(jì)了SDN交換機(jī)計(jì)算資源隔離機(jī)制,并與上文所述的TCAM流表優(yōu)化方案結(jié)合起來,提出一套交換機(jī)資源分配方案(Switch Resource Allocation Framework,SRAF)。這一交換機(jī)資源分配方案的目標(biāo)是為交換機(jī)在處理SDN控制消息的時(shí)延上提供保障。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,SRAF框架可以成功為SDN控制消息提供資源隔離及處理時(shí)延保證,其帶來的吞吐率開銷比例不超過4%,同時(shí)這一框架帶來的額外時(shí)延增長比例僅為3%。(3)SDN數(shù)據(jù)中心的拓?fù)滟Y源分配數(shù)據(jù)中心是SDN的重要應(yīng)用場(chǎng)景之一。近年來,向數(shù)據(jù)中心拓?fù)渲性O(shè)置臨時(shí)鏈路是解決網(wǎng)絡(luò)擁塞問題的一項(xiàng)熱門技術(shù)。然而目前的解決方案通常是針對(duì)特定應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì),缺乏自我學(xué)習(xí)及重配置能力。為了提高數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案的通用性,本文使用了一種機(jī)器學(xué)習(xí)模型,進(jìn)而提出了一套名為DeepConf的應(yīng)用框架,簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)優(yōu)化算法的過程并對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)模塊進(jìn)行離線訓(xùn)練。經(jīng)過訓(xùn)練后的DeepConf框架可根據(jù)所部署的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景進(jìn)行在線決策。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,DeepConf通過迭代訓(xùn)練能夠在不同的場(chǎng)景下完成臨時(shí)鏈路設(shè)置方案的自動(dòng)重配置,其優(yōu)化效果與使用整數(shù)線性規(guī)劃(Interget Linear Programming,ILP)得出的最優(yōu)結(jié)果近似。(4)SDN數(shù)據(jù)中心與公有云結(jié)合下的服務(wù)功能鏈資源分配隨著網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的日益發(fā)展以及SDN所帶來的靈活路由特性出現(xiàn),網(wǎng)絡(luò)管理員可以將本地網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)功能(如防火墻)以服務(wù)功能鏈(Service Function Chain,SFC)的形式外包至公有云進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。得益于公有云所提供的彈性計(jì)算以及按量收費(fèi)特性,網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)外包至公有云可以降低本地網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)及部署成本,但是公有云所具有的特性(例如本地至公有云的時(shí)延)會(huì)使網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的性能,特別是服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)受到影響。為此本文提出了一種名為D-MOSC(Deviation based Method to Outsource Service Function Chain)的啟發(fā)式算法,用于在SDN數(shù)據(jù)中心與公有云之間最小化服務(wù)功能鏈的部署成本,同時(shí)保證網(wǎng)絡(luò)流的服務(wù)質(zhì)量不受影響。本文驗(yàn)證了MOSC算法的性能。結(jié)果顯示,相較于本地部署網(wǎng)絡(luò)功能,使用MOSC算法能夠節(jié)省約80%的部署成本,同時(shí)相較于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能放置優(yōu)化算法,MOSC算法能夠在保證性能的同時(shí)能夠節(jié)省約一半的部署成本。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TP393.02

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本文編號(hào)：2811630