本文關(guān)鍵詞：基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)若干關(guān)鍵問(wèn)題研究

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【摘要】：隨著云計(jì)算技術(shù)的日益成熟和初步商業(yè)應(yīng)用,數(shù)據(jù)中心作為其核心基礎(chǔ)設(shè)施也開(kāi)始蓬勃發(fā)展。在當(dāng)今數(shù)據(jù)中心中,云計(jì)算任務(wù)往往伴隨著服務(wù)器間大量的數(shù)據(jù)流交互,且呈現(xiàn)出與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)流量不同的特點(diǎn),如往返時(shí)延極短,多對(duì)一或多對(duì)多通信等,使得在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中獲得巨大成功的路由協(xié)議難以在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮應(yīng)有的功效,從而影響云計(jì)算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的性能。不僅如此,作為云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的一項(xiàng)核心業(yè)務(wù),IaaS(Infrastructure as a Service)需要對(duì)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)資源靈活統(tǒng)籌管理,從而對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)�、地址空間、交換機(jī)流表空間、鏈路帶寬、交換機(jī)CPU(Central Processing Unit)等網(wǎng)絡(luò)資源提出了虛擬化的要求。同時(shí),虛擬機(jī)遷移等特殊業(yè)務(wù)亦需數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)提供“大二層”的支持。上述獨(dú)特的屬性及特殊的業(yè)務(wù)需求對(duì)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)。軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software-Defined Networking, SDN)作為一種新興的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。其核心思想主要包括：1)集中化管控。通過(guò)將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和控制決策功能在物理上分離,并將所有網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備的控制能力集中到統(tǒng)一邏輯控制中心(通常稱(chēng)該控制中心為控制器)上,以便對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配和管理。2)網(wǎng)絡(luò)可編程性。通過(guò)控制器的北向可編程接口和控制器與交換機(jī)間統(tǒng)一的南向管理接口,可快速部署新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)配置管理,滿(mǎn)足靈活多變的需求。目前,軟件定義數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)正受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界廣泛的關(guān)注。本文針對(duì)軟件定義數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的多租戶(hù)網(wǎng)絡(luò)虛擬化、廣播報(bào)文泛洪,以及軟件定義網(wǎng)絡(luò)中控制器放置這三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行研究,取得如下研究成果：1)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心多租戶(hù)可編程網(wǎng)絡(luò)虛擬化平臺(tái)NetKart。論文提出NetKart,一個(gè)基于SDN架構(gòu)的可編程多租戶(hù)網(wǎng)絡(luò)虛擬化平臺(tái),可提供租戶(hù)自由創(chuàng)建管理其虛擬網(wǎng)絡(luò)的能力。每一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)均擁有獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng),并運(yùn)行它自己的網(wǎng)絡(luò)控制軟件。同時(shí),租戶(hù)可以自由規(guī)定虛擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜偷刂贩峙洳呗�。NetKart在邏輯上將虛擬網(wǎng)絡(luò)從底層物理網(wǎng)絡(luò)中提取出來(lái),為每一個(gè)租戶(hù)控制器提供完全控制其自身虛網(wǎng)的能力。NetKart在繼承原有FlowVisor的設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),提供更完善的虛擬化特征,如拓?fù)涮摂M化、地址空間虛擬化、虛網(wǎng)控制功能虛擬化、流表空間虛擬化等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示NetKart在不明顯增加控制消息處理時(shí)延的前提下,提供多維度的網(wǎng)絡(luò)虛擬化能力并嚴(yán)格保障虛網(wǎng)間的隔離。2)設(shè)計(jì)無(wú)泛洪的服務(wù)發(fā)現(xiàn)機(jī)制FSDM。傳統(tǒng)的基于泛洪的廣播包處理機(jī)制存在諸多問(wèn)題。主要包括：1)大量的廣播數(shù)據(jù)包占用寶貴的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源；2)傳統(tǒng)的生成樹(shù)協(xié)議存在根橋壓力過(guò)大、冗余鏈路的帶寬浪費(fèi)以及收斂時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等問(wèn)題；3)網(wǎng)絡(luò)中主機(jī)均收到網(wǎng)絡(luò)中所有的廣播包,消耗主機(jī)的中央處理器(Central Processing Unit, CPU)資源；4)占用大量寶貴的交換機(jī)流表空間。在大規(guī)模數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中,傳統(tǒng)的以太網(wǎng)廣播報(bào)文處理方式面臨著更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。論文設(shè)計(jì)了一種經(jīng)典的消除泛洪的廣播報(bào)文處理機(jī)制FSDM (Floodless Service Discovery Mechanism), FSDM利用SDN控制器網(wǎng)絡(luò)的全局視角的能力,利用ARP代理機(jī)制通過(guò)控制器直接響應(yīng)ARP請(qǐng)求,以及DHCP中繼代理機(jī)制使得DHCP報(bào)文僅在源主機(jī)、控制器和DHCP服務(wù)器間進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),避免廣播報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)中泛洪。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明無(wú)泛洪的廣播報(bào)文處理協(xié)議可有效降低網(wǎng)絡(luò)鏈路帶寬負(fù)載和控制器CPU負(fù)載。3)設(shè)計(jì)啟發(fā)式的SDN控制消息路由樹(shù)生成算法。在軟件定義數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中(如google數(shù)據(jù)中心間互聯(lián)全部采用SDN架構(gòu)),SDN控制器位置和控制消息路由樹(shù)對(duì)SDN網(wǎng)絡(luò)控制平面性能(如降低控制消息平均時(shí)延,提高控制消息路由樹(shù)可靠性)存在較大影響,論文建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型,提出啟發(fā)式的路由樹(shù)搜索算法、最短路徑算法以及貪婪算法。仿真結(jié)果顯示,啟發(fā)式路由樹(shù)搜索算法能有效的在控制消息平均時(shí)延和控制消息路由樹(shù)可靠性?xún)蓚�(gè)性能指標(biāo)上取得均衡,其綜合性能明顯優(yōu)于最短路徑算法和貪婪算法。
【關(guān)鍵詞】：數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò) 軟件定義網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)虛擬化 廣播包泛洪 控制器放置
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TP393.02;TP308
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 引言12-24
• 1.1 研究背景12-18
• 1.1.1 數(shù)據(jù)中心概念與應(yīng)用場(chǎng)景12-13
• 1.1.2 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)13-14
• 1.1.3 軟件定義網(wǎng)絡(luò)概念與核心屬性14-16
• 1.1.4 軟件定義數(shù)據(jù)中心面臨挑戰(zhàn)16-18
• 1.2 本文研究問(wèn)題18-20
• 1.2.1 數(shù)據(jù)中心可編程多租戶(hù)網(wǎng)絡(luò)虛擬化平臺(tái)18
• 1.2.2 二層廣播報(bào)文泛洪問(wèn)題18-19
• 1.2.3 SDN控制平面路由樹(shù)構(gòu)建問(wèn)題19-20
• 1.3 研究?jī)?nèi)容及成果20-22
• 1.3.1 軟件定義數(shù)據(jù)中心多租戶(hù)網(wǎng)絡(luò)虛擬化平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)21
• 1.3.2 無(wú)泛洪的廣播報(bào)文處理機(jī)制21-22
• 1.3.3 啟發(fā)式軟件定義網(wǎng)絡(luò)路由樹(shù)構(gòu)建算法22
• 1.4 論文框架22-24
• 第二章 相關(guān)研究工作24-30
• 2.1 可編程網(wǎng)絡(luò)虛擬化平臺(tái)設(shè)計(jì)24-26
• 2.2 廣播報(bào)文泛洪問(wèn)題改進(jìn)方案26-27
• 2.3 SDN控制平面可擴(kuò)展性27-28
• 2.4 本章小結(jié)28-30
• 第三章 數(shù)據(jù)中心多租戶(hù)網(wǎng)絡(luò)虛擬化平臺(tái)設(shè)計(jì)30-62
• 3.1 概述30-33
• 3.2 NetKart系統(tǒng)架構(gòu)33-36
• 3.2.1 設(shè)計(jì)原則34
• 3.2.2 架構(gòu)描述34-36
• 3.3 NetKart虛擬化特性36-41
• 3.3.1 拓?fù)涮摂M化36-39
• 3.3.2 地址空間虛擬化39-40
• 3.3.3 虛擬設(shè)備配置40
• 3.3.4 控制功能虛擬化40-41
• 3.4 實(shí)現(xiàn)41-54
• 3.4.1 上行控制消息處理41-44
• 3.4.2 下行控制消息處理44-47
• 3.4.3 流量帶寬隔離47
• 3.4.4 交換機(jī)流表隔離47-48
• 3.4.5 交換機(jī)CPU隔離48-50
• 3.4.6 虛網(wǎng)信息統(tǒng)計(jì)查詢(xún)50-54
• 3.5 實(shí)驗(yàn)性能驗(yàn)證54-61
• 3.5.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置55
• 3.5.2 流表隔離和地址空間隔離55-59
• 3.5.3 虛擬鏈路管理59-60
• 3.5.4 NetKart處理時(shí)延60-61
• 3.6 本章小結(jié)61-62
• 第四章 無(wú)泛洪的服務(wù)發(fā)現(xiàn)機(jī)制62-79
• 4.1 概述62-63
• 4.2 FSDM設(shè)計(jì)方案63-68
• 4.2.1 設(shè)計(jì)原則63-65
• 4.2.2 ARP代理機(jī)制65-67
• 4.2.3 DHCP中繼機(jī)制67-68
• 4.3 具體實(shí)現(xiàn)68-71
• 4.3.1 ARP模塊68-70
• 4.3.2 DHCP模塊70-71
• 4.4 仿真試驗(yàn)性能分析71-78
• 4.4.1 數(shù)據(jù)平面流量影響72-74
• 4.4.2 控制平面負(fù)載影響74-76
• 4.4.3 可擴(kuò)展性影響76-77
• 4.4.4 主機(jī)移動(dòng)性對(duì)系統(tǒng)性能影響77-78
• 4.5 總結(jié)78-79
• 第五章 啟發(fā)式的軟件定義網(wǎng)絡(luò)路由樹(shù)構(gòu)建算法79-96
• 5.1 概述79-80
• 5.2 問(wèn)題描述80-81
• 5.3 數(shù)學(xué)模型81-82
• 5.4 路由樹(shù)構(gòu)建算法82-88
• 5.4.1 啟發(fā)式的路由樹(shù)生成算法82-85
• 5.4.2 最短路徑算法85
• 5.4.3 貪婪算法85-86
• 5.4.4 算法復(fù)雜度分析86-88
• 5.5 仿真驗(yàn)證88-95
• 5.5.1 最短路徑算法和貪婪算法88-91
• 5.5.2 HRT算法91-95
• 5.6 本章小結(jié)95-96
• 第六章 總結(jié)與展望96-100
• 6.1 工作總結(jié)與主要貢獻(xiàn)96-97
• 6.2 研究展望97-100
• 6.2.1 虛網(wǎng)遷移和故障彈性恢復(fù)97-98
• 6.2.2 南向接口協(xié)議適配支持98
• 6.2.3 虛網(wǎng)QoS保證98
• 6.2.4 OpenFlow設(shè)備和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備混雜組網(wǎng)下的廣播報(bào)文處理98
• 6.2.5 多控制器協(xié)同模式下的控制器放置98-100
• 參考文獻(xiàn)100-106
• 附錄1 縮略語(yǔ)(中英文對(duì)照表)106-108
• 致謝108-109
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文與科研成果109-110

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