【摘要】：許多科學、工程及商業(yè)領域的大規(guī)模應用產(chǎn)生了海量數(shù)據(jù),需要及時進行遠程傳輸以便存儲、共享與分析,傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)盡力而為的服務模式已經(jīng)遠遠不能勝任。具有高帶寬及帶寬預留特點的高性能網(wǎng)絡(High Performance Network,HPN)可通過帶寬預留為大數(shù)據(jù)傳輸提供專用通道,已被科學界和工業(yè)界公認為一種高效的解決方案,從而成為該領域的一個研究熱點。目前,許多高速骨干網(wǎng)通過軟件定義網(wǎng)絡(Software Defined Networking,SDN)技術可以方便地實現(xiàn)高性能網(wǎng)絡的功能,利用控制平面全局視圖通過集中式調度充分地利用昂貴的帶寬資源,極大地提高傳輸服務質量(Quality of Service,QoS)。在HPN中,作為控制平面中心單元的帶寬調度器,可基于網(wǎng)絡拓撲和可用帶寬計算合適的網(wǎng)絡路徑,以滿足特定大數(shù)據(jù)的即時帶寬預留需求,以及多種類型的批量大數(shù)據(jù)的周期性提前帶寬預留需求。本文的研究核心是基于SDN技術,研究高性能網(wǎng)絡中面向大數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捳{度理論、機制和算法,以解決HPN中多路徑帶寬調度、不同類型請求的聯(lián)合帶寬調度及帶寬搶占等帶寬調度的難點問題,目標是優(yōu)化用戶滿意度指標,包含最小化完成時間、最大化滿足的用戶請求數(shù)及最小化搶占數(shù)量等參數(shù)。本文的主要貢獻是提出并建立若干個可應用于HPN中以提高大數(shù)據(jù)傳輸性能的問題模型:多路徑即時帶寬調度問題、不同類型的多個大數(shù)據(jù)傳輸請求的周期性帶寬調度問題,及高優(yōu)先級的實時預留與低優(yōu)先級的提前預留的協(xié)同調度及帶寬搶占問題,證明這些問題都是NP-完全問題,并分別提出了若干啟發(fā)式帶寬調度算法。主要創(chuàng)新性工作如下:i)首先,針對現(xiàn)有單路徑帶寬調度吞吐量有限及可靠性不能保證等問題,采用多路徑進行帶寬預留。提出并建立了兩條節(jié)點不相交的固定路徑即時帶寬調度模型(BS-2FNDP)。根據(jù)是否允許帶寬變化,進一步將該模型分為兩個子問題:兩條固定路徑固定帶寬(2FPFB)及兩條固定路徑可變帶寬(2FPVB)。證明了這兩個問題均為NP-完全問題,并分別提出了接近最優(yōu)解的啟發(fā)式提高算法Imp2FPFB和Imp2FPVB。經(jīng)大量實驗評估本文提高算法的性能,在小規(guī)模網(wǎng)絡應用中接近最優(yōu)算法,在大規(guī)模網(wǎng)絡中明顯優(yōu)于其它啟發(fā)式算法。ii)其次,針對多條固定路徑調度方法缺乏靈活性、帶寬利用不充分的問題,提出了兩條可變路徑即時帶寬調度模型(BS-2VNDP)。進一步根據(jù)兩條可變路徑(2VP)在不同時隙是帶寬固定/可變(FB/VB)、路徑切換延遲可/否忽略(0/1),將BS-2VNDP分為2VPFB-0/1和2VPVB-0/1四個子問題。分別證明了其NP-完全性并提出啟發(fā)式提高算法Imp2VPFB-0/1,Imp2VPVB-0/1。經(jīng)大量在隨機網(wǎng)絡及實際網(wǎng)絡拓撲中對算法性能的實驗仿真,本文提高算法性能明顯優(yōu)于其它啟發(fā)式算法。iii)針對截止期限約束下不同類型的多個大數(shù)據(jù)傳輸請求,提出了周期性調度BS-MVTR問題模型�？紤]固定/可變帶寬兩種類型的大數(shù)據(jù)傳輸請求(FBBR/VBBR),結合滿足的用戶請求數(shù)最大化及每個用戶請求的完成時間最小化,定義了一個量化的用戶滿意度新指標。證明了該問題的NP-完全性及不可逼近性,并提出啟發(fā)式算法FMS-MVTR,其中對兩類請求分別設計了不同的調度算法BS-FBBR和BS-VBBR。通過大量仿真網(wǎng)絡及實際網(wǎng)絡拓撲的實驗,表明本文FMS-MVTR算法的用戶滿意度及調度成功率性能均遠好于利用已有算法的比較算法。iv)針對云數(shù)據(jù)中心之間不同優(yōu)先級的傳輸應用,研究高優(yōu)先級實時帶寬預留(Immediate Reservation,IR)和低優(yōu)先級的提前帶寬預留(Advance Reservation,AR)的協(xié)同調度問題,定義為BS-IRAR。證明該問題的NP-完全性并提出一個啟發(fā)式協(xié)同調度算法Max-S-IRAR。首先,對一個周期內累積的一批AR請求提出了一個最小資源占用優(yōu)先算法Min-R-AR使?jié)M足的AR請求的數(shù)量最大化;其次,在已成功預留帶寬的AR傳輸期間,為隨機到來的IR計算一條每個時隙帶寬最大的可變路徑,若該路徑不能滿足IR傳輸需求,則需要搶占已預留成功的低優(yōu)先級的AR的固定路徑,采用可變路徑與固定路徑雙通道并行調度IR。設計了一個最小搶占算法MinPreemption以減少搶占的AR數(shù)量和帶寬。綜合AR和IR請求成功調度的用戶數(shù)、單個請求完成時間、請求的優(yōu)先級及搶占的AR請求數(shù)等因素,定義了一個協(xié)同調度的用戶滿意度性能指標。經(jīng)大量仿真實驗證明,本文所提出的協(xié)同調度算法Max-S-IRAR性能大大優(yōu)于其它啟發(fā)式算法。
【學位授予單位】：西北大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN919.1

【參考文獻】

相關期刊論文 前1條

1 李榮潔;;CERNET與美國學術網(wǎng)建立高速直連合作[J];中國教育網(wǎng)絡;2011年12期

，

本文編號：2701953