本文關(guān)鍵詞： 網(wǎng)絡(luò)管理 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò) 軟件定義網(wǎng)絡(luò) 數(shù)據(jù)面可編程 網(wǎng)絡(luò)功能 負(fù)載均衡 流量工程 流量調(diào)度 編程語言　出處：《浙江大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)之間通常存在多條路徑,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)利用率較高的時(shí)候可以通過多路徑算法來避免網(wǎng)絡(luò)擁塞的發(fā)生。為此,網(wǎng)絡(luò)管理員通常在網(wǎng)絡(luò)中部署負(fù)載均衡功能將到達(dá)的流量負(fù)載分配到網(wǎng)絡(luò)中的多條路徑上,進(jìn)而提高網(wǎng)絡(luò)的利用率。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)下,網(wǎng)絡(luò)管理員通常使用等價(jià)多路徑路由技術(shù)將每條流隨機(jī)地分配到一條路徑上。但是,由于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將執(zhí)行多路徑路由發(fā)現(xiàn)功能的控制平面和執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)流量轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)平面耦合在一塊,網(wǎng)絡(luò)管理員需要手動登錄每一臺網(wǎng)絡(luò)設(shè)備并通過專門的控制臺命令來調(diào)整協(xié)議的參數(shù)以保證網(wǎng)絡(luò)行為的正常�；贠penFlow的軟件定義網(wǎng)絡(luò)將控制平面從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中分離并移動到集中式的控制器上,并由控制器通過下發(fā)流表的方式控制網(wǎng)絡(luò)流量的轉(zhuǎn)發(fā)行為。網(wǎng)絡(luò)管理員可以使用控制器提供的全局網(wǎng)絡(luò)視圖,并在控制器上編程實(shí)現(xiàn)更靈活的多路徑路由如流量工程等,而不需要手動配置每一臺網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。但是這種基于集中式控制實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)功能需要較長的時(shí)間才能對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化作出響應(yīng),導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞等事件的發(fā)生進(jìn)而降低網(wǎng)絡(luò)的利用率。數(shù)據(jù)平面可編程的軟件定義網(wǎng)絡(luò)允許網(wǎng)絡(luò)管理員對數(shù)據(jù)平面進(jìn)行編程以指定網(wǎng)絡(luò)設(shè)備處理數(shù)據(jù)包的方式。特別的數(shù)據(jù)平面可編程的軟件定義網(wǎng)絡(luò)允許執(zhí)行在數(shù)據(jù)平面的網(wǎng)絡(luò)功能接入到有狀態(tài)的內(nèi)存寄存器,用來監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化,并在數(shù)據(jù)平面快速地對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化做出響應(yīng)。但是在實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)數(shù)據(jù)平面有狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)功能并不是一個(gè)簡單的任務(wù),網(wǎng)絡(luò)管理員需要仔細(xì)地決定如何分配網(wǎng)絡(luò)功能到分布式的數(shù)據(jù)平面和集中式控制平面上,以及它們之間的交互方式以保證網(wǎng)絡(luò)功能的正確執(zhí)行。網(wǎng)絡(luò)管理員通常會根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、面向的用戶、提供的服務(wù)等因素決定需要采用的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)(例如校園網(wǎng)采用控制平面和數(shù)據(jù)平面耦合的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商采用控制平面和數(shù)據(jù)平面分離的軟件定義網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)采用數(shù)據(jù)平面可編程的軟件定義網(wǎng)絡(luò))和需要部署的網(wǎng)絡(luò)功能(例如校園網(wǎng)部署負(fù)載均衡、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商部署流量工程、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)部署流量調(diào)度和負(fù)載均衡)以提高網(wǎng)絡(luò)的性能和用戶的體驗(yàn)。特別是隨著云計(jì)算的普及越來越多的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)部署在數(shù)據(jù)中心,用戶為了接入這些網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需要經(jīng)過不同規(guī)模的面向不同用戶的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,從校園網(wǎng)到Internet到數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò),導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)流量需要經(jīng)過多個(gè)異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境才會完成傳輸。提高用戶體驗(yàn)的關(guān)鍵在于如何提高用戶的端到端性能,為此需要保證用戶流量經(jīng)過的每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)都能提供高效的網(wǎng)絡(luò)流量管理功能提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率同時(shí)提高用戶的體驗(yàn)。為了提高異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)流量管理功能的性能,需要分析不同的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)對于部署的網(wǎng)絡(luò)功能帶來的優(yōu)勢以及存在的挑戰(zhàn),并在分析的基礎(chǔ)上有針對性地設(shè)計(jì)相對應(yīng)的解決方案。本文的研究目的是提高不同的網(wǎng)絡(luò)流量管理功能在不同的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)下的性能,重點(diǎn)研究下面的三個(gè)內(nèi)容:(1)提高傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)下多路徑負(fù)載均衡算法的的性能(對應(yīng)研究成果1);(2)提高基于OpenFlow的軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Networking,SDN),即SDN-OpenFlow,下流量工程的性能(對應(yīng)研究成果2);(3)提高SDN-可編程數(shù)據(jù)面下流量管理的性能(對應(yīng)研究成果3)。提高傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)下負(fù)載均衡算法的性能:多路徑負(fù)載均衡技術(shù)可以降低突發(fā)的網(wǎng)絡(luò)流量或鏈路故障對網(wǎng)絡(luò)造成的影響,減少網(wǎng)絡(luò)擁塞的發(fā)生。但是多路徑負(fù)載均衡技術(shù)需要處理流量分割粒度和數(shù)據(jù)包亂序之間的沖突:細(xì)粒度的流量分割可以提高負(fù)載均衡效果但是會造成TCP流亂序;粗粒度的流量分割可以避免TCP(Transmission Control Protocol)流亂序但是會降低負(fù)載均衡效果。此外,將多路徑負(fù)載均衡技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的分布式網(wǎng)絡(luò),還需要協(xié)同運(yùn)行在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的負(fù)載均衡算法。為了使得在分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下提高負(fù)載均衡效果的同時(shí)避免對TCP流的性能造成影響,提出了 DDMM算法。DDMM算法利用了 TCP流的突發(fā)特性以及路徑的傳輸延時(shí)差異將網(wǎng)絡(luò)流量均衡地分配到多條路徑進(jìn)行傳輸,同時(shí)保證同一個(gè)TCP流的數(shù)據(jù)包有序到達(dá)接收端。提高SDN-OpenFlow下流量工程的性能:SDN-OpenFlow簡化了流量工程的實(shí)現(xiàn),但是需要解決SDN控制器處理頻率和網(wǎng)絡(luò)擁塞之間存在的沖突:一方面SDN控制器實(shí)時(shí)地收集網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)并配置數(shù)據(jù)平面可以避免網(wǎng)絡(luò)擁塞的發(fā)生,但是可能會使SDN控制器和OpenFlow交換機(jī)出現(xiàn)瓶頸;另一方面降低SDN控制器和OpenFlow網(wǎng)絡(luò)之間的交互頻率可能造成突發(fā)的網(wǎng)絡(luò)流量不能及時(shí)地被處理,使得網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞。為了提高基于SDN的流量工程處理突發(fā)的網(wǎng)絡(luò)流量的速度,提出了 DUCE算法。DUCE算法的核心思路是將處理流量不確定的功能從SDN控制平面剝離并移動到數(shù)據(jù)平面上。因此DUCE算法可以在數(shù)據(jù)平面直接處理突發(fā)的網(wǎng)絡(luò)流量而不需要等待SDN控制器的響應(yīng)并更新配置。DCUE算法利用了 OpenFlow協(xié)議的特性在數(shù)據(jù)平面實(shí)現(xiàn)了選擇功能:根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量的負(fù)載大小選擇相對應(yīng)的路由方案;通過SDN控制器上執(zhí)行的流量工程算法來指導(dǎo)選擇功能的執(zhí)行避免網(wǎng)絡(luò)擁塞的發(fā)生。提高SDN-可編程數(shù)據(jù)面下流量管理的性能:數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)主要的特點(diǎn)決定了網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度:(1)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)流量具有突發(fā)、不可預(yù)測的特點(diǎn),為了更好的管理這些網(wǎng)絡(luò)流量需要將網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)現(xiàn)在數(shù)據(jù)平面;(2)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大,在數(shù)據(jù)平面實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能需要處理大規(guī)模的分布式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,這涉及到網(wǎng)絡(luò)功能的分解、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的交互等。SDN雖然可以簡化網(wǎng)絡(luò)功能的實(shí)現(xiàn),但是在集中式控制器上實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)功能很難適用于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò);最近提出的數(shù)據(jù)平面可編程語言雖然簡化了數(shù)據(jù)平面有狀態(tài)的數(shù)據(jù)包處理程序的實(shí)現(xiàn),但是需要詳細(xì)地描述數(shù)據(jù)包的處理模式,而且還需要處理分布式的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。為了簡化面向數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)功能的實(shí)現(xiàn),提出了 EP2。EP2的核心思路是提供高級的編程模式:為網(wǎng)絡(luò)功能的描述提供基于預(yù)測和原子操作的高級語言;為網(wǎng)絡(luò)功能的實(shí)現(xiàn)提供分布式的運(yùn)行系統(tǒng)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP393.0

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本文編號：1551038