【摘要】：隨著通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和通信需求的日益增長,傳統(tǒng)的分布式控制邏輯難于應(yīng)對愈發(fā)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)管理需求,對網(wǎng)絡(luò)資源分配的優(yōu)化能力有限。集中模式是相對于分布式模式的一種網(wǎng)絡(luò)管理模式,由集中控制器搜集全網(wǎng)拓?fù)湫畔?實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一管理和調(diào)度。集中控制器具有可編程性,能夠根據(jù)不同的優(yōu)化目標(biāo)執(zhí)行針對全網(wǎng)的優(yōu)化策略,完成對網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)及靈活控制。集中模式所倡導(dǎo)的網(wǎng)絡(luò)控制方式使網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和管理更加靈活。本文從廣域網(wǎng)(Wide Area Network,WAN)、園區(qū)網(wǎng)(Campus Network)和特殊用途的網(wǎng)絡(luò)三個方面分別討論集中模式給網(wǎng)絡(luò)管理及資源分配帶來的好處。具體以IP over WDM(Wavelength Division Multiplex,波分多路復(fù)用)網(wǎng)絡(luò)、混合軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Hybrid Software-Defined Networking,HSDN)和數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)作為以上三類網(wǎng)絡(luò)的代表進(jìn)行深入研究。本文主要研究內(nèi)容包括:(1)基于集中模式的IP over WDM網(wǎng)絡(luò)節(jié)能虛拓?fù)湓O(shè)計作為廣域網(wǎng)的重要組成部分,現(xiàn)有的IP over WDM網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)行虛拓?fù)湓O(shè)計時通常將節(jié)約網(wǎng)絡(luò)能耗作為單一的評價指標(biāo),最小化所需的節(jié)點數(shù)量和鏈路數(shù)量,難以滿足上層業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)其他性能的需求,比如網(wǎng)絡(luò)生存性。WDM技術(shù)雖可以大幅提高鏈路的傳輸容量,但同時也對網(wǎng)絡(luò)生存性提出了更高要求。因此,在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計運行之初需要綜合考慮多種網(wǎng)絡(luò)性能以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計策略,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的合理配置。同時考慮多種網(wǎng)絡(luò)性能的資源配置方案應(yīng)當(dāng)是基于對電層虛拓?fù)浜凸鈱游锢碣Y源的集中管理,通過對IP網(wǎng)絡(luò)與光網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合設(shè)計而獲得的。本文對IP over WDM網(wǎng)絡(luò)的能耗效率、網(wǎng)絡(luò)資源效率和網(wǎng)絡(luò)生存性三個方面進(jìn)行統(tǒng)一折衷優(yōu)化,得到一個靜態(tài)需求下的虛拓?fù)湓O(shè)計方案。實驗結(jié)果表明,與已有的節(jié)能算法相比,本文提出的方案使網(wǎng)絡(luò)能耗平均降低了39.8%,網(wǎng)絡(luò)資源的平均使用量減少了28.2%,網(wǎng)絡(luò)跨層生存性平均提升了35.7%。(2)基于集中模式的HSDN網(wǎng)絡(luò)流量工程與流管理軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Networking,SDN)是一種典型的采用集中模式的網(wǎng)絡(luò)范式。SDN在園區(qū)網(wǎng)中的部署旨在應(yīng)對日益復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)管理要求和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源分配。受限于網(wǎng)絡(luò)管理者所面臨的SDN部署成本等問題,在園區(qū)網(wǎng)中增量部署SDN成為現(xiàn)有傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)向SDN過渡的折衷方案,HSDN應(yīng)運而生。在HSDN中的流分為至少經(jīng)過1個SDN節(jié)點的SDN流和未經(jīng)過任何SDN節(jié)點的IP流。已有的關(guān)注HSDN流量工程(Traffic Engineering,TE)的工作對IP流沒有實現(xiàn)集中管理,導(dǎo)致TE性能不理想。為了提升HSDN網(wǎng)絡(luò)TE性能,本文利用新技術(shù),如Fibbing~([1])、Panopticon~([2])和Telekinesis~([3]),對IP路由器和SDN交換機(jī)的路由進(jìn)行統(tǒng)一管理,以獲得集中模式在HSDN全網(wǎng)范圍的實現(xiàn)。在單播通信方面,基于集中模式提出了流路由分離(Flow Routing and Splitting,FRS)算法,將IP流轉(zhuǎn)換為SDN流,在實現(xiàn)對所有流集中管理的同時提升了TE性能。并且,FRS算法使HSDN以20%的SDN節(jié)點部署比例獲得了媲美全網(wǎng)部署SDN時的TE性能。在多播通信方面,近年來通信網(wǎng)絡(luò)中多播流量的爆發(fā)式增長使其日益成為網(wǎng)絡(luò)流量的重要組成部分。與單播相比,多播通信能有效地減少網(wǎng)絡(luò)資源消耗。目前,基于HSDN的多播通信流量工程問題鮮有相關(guān)研究。為了提升HSDN多播通信的TE性能和安全性,本文基于集中模式提出了多播路由及分離(Multicast Routing and Splitting,MRS)算法,將多播組路由路徑分為單播路由和多播路由兩部分區(qū)分處理。對于每個多播組,算法計算出一個核心SDN節(jié)點作為集中控制器的管理接口,通過網(wǎng)絡(luò)功能的靈活部署(如接入控制)增強(qiáng)HSDN多播通信安全性能;同時以核心SDN節(jié)點為根節(jié)點建立多棵多播樹以實現(xiàn)負(fù)載均衡。仿真數(shù)據(jù)表明,當(dāng)SDN節(jié)點部署比例達(dá)到40%時,為每個多播組計算2棵多播樹,HSDN可以獲得與全網(wǎng)部署SDN相接近的多播通信TE性能。(3)基于集中模式的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)流調(diào)度優(yōu)化在特殊用途的網(wǎng)絡(luò)范疇,本文選擇數(shù)據(jù)中心來進(jìn)一步探究集中模式帶來的好處。作為支撐起大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)及云計算平臺的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施,從提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率、加快應(yīng)用響應(yīng)速度的角度出發(fā),數(shù)據(jù)中心需要結(jié)合上層應(yīng)用的特點進(jìn)行下層網(wǎng)絡(luò)的傳輸任務(wù)調(diào)度。采用集中模式對應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行集中管理顯然是最佳選擇。已有的相關(guān)工作追求網(wǎng)絡(luò)資源分配的公平性,其優(yōu)化目標(biāo)沒有與應(yīng)用層需求完全匹配,難于真正部署到實際網(wǎng)絡(luò)中。據(jù)此,本文以數(shù)據(jù)中心集群計算框架為應(yīng)用背景提出了在線流追趕算法(Flow Chasing Algorithm,FCA)。算法將標(biāo)志一個計算階段開始或者結(jié)束的一組流定義為一個transfer,集中控制器根據(jù)應(yīng)用層描述的每個transfer所包含的流信息,以transfer為粒度進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層資源分配。算法分為transfer內(nèi)部和外部兩個階段,旨在盡可能降低平均傳輸完成時間(Transfer Completion Time,TCT)。將FCA部署在實驗平臺上,實驗結(jié)果表明,FCA降低了約6.24%的平均TCT,節(jié)約了約4.8%的shuffle完成時間,縮短了大概2.00%的任務(wù)(job)完成時間。
【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】：2018
【分類號】：TN915.0

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本文編號：2699992