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《北京邮电大学》 2018年
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SDN架构下物联网服务提供机制及性能优化研究

王亚丽  
【摘要】:物联网服务是指在异构网络环境下用户获取基于传感信息搜集、信息分析和软件定义的智能化服务过程。物联网服务的日益多样化及广泛应用,对物联网服务的服务提供机制提出了新的需求,也对底层通信基础设施提出了新的挑战。在网络革新呼声愈高的大背景下,以软件定义网络作为基础网络,以发布/订阅模式作为表现形式,构建了面向物联网的统一服务平台。基于软件定义网络可编程、可管控、可定制的特点,以全网资源的优化配置为目的,设计了一种负载均衡的路由机制;从物联网服务的个性化要求为切入点,在数据转发平面通过对SDN交换机的出端口进行基于反馈的队列管理从而提供了区分的网络服务;为提高用户的服务体验质量(Quality of Experience:QoE),构建了基于主题的具有时延约束的最小代价steiner树作为发布/订阅系统的订阅覆盖网络,以适应不同物联网服务的端到端时延需求。本文的研究工作和创新点如下:(1)针对SDN网络环境下的物联网服务提供机制的研究,实现了一个基于主题的发布/订阅系统作为物联网服务的统一接入平台。在SDN网络下,开发了原型系统,实现了分层次的发布/订阅系统,研究了集群管理(即将不同的事件代理划分至不同的集群)、拓扑管理(即如何维护集群间的连接关系)、主题管理(即如何有效地组织主题)和策略管理(如何表达及组织策略),并且开发了可视化的视图界面来管理这些要素等。在规划和实现原型系统时,充分考虑到SDN作为基础网络和传统的TCP/IP网络作为基础网络时拓扑建立和维护的不同,实现了 SDN架构下拓扑的创建、维护,路由的收集、聚合和抽象。(2)针对物联网数据的周期性、冗余型和可预测性的特点,得到未来一段时间内数据的分布和流向,再根据控制器得到的基础网络的全局拓扑视图以及当前链路使用情况,提出了一个负载均衡的路由算法。该路由算法通过将剩余带宽最大化作为优化目标,将全网的的事件均衡分配在各条链路上。在计算路由时,充分考虑并运用事件主题间的包含关系,以渐进地方式计算事件路由,最大限度地减少计算开销和交换机的流表项。(3)针对物联网数据的不同QoS需求,在SDN网络的数据转发平面设置了区分服务,以满足多样化的物联网应用。把数据转发平面的SDN交换机的出口端口队列分成多优先级队列,每个高优先级队列要保证它的排队延迟上限。SDN控制平面通过对每个队列的周期化数据采集,获取队列的实时长度信息,然后据此调整每个队列的带宽,以保证他们的时延上限。最后,针对物联网事件不同的时延要求,在已经计算出事件转发路径的基础上,沿着转发路径将事件分发至不同的优先级队列进行转发,使得事件的总的时延不大于事件的时延限制并且最接近于时延限制。(4)针对时间敏感的物联网应用中紧急事件的实时性传输需求,提出了采用构建覆盖发布结点和订阅结点的steiner树的方法来组建主题覆盖网络,同时考虑时链路的时延和代价两个要素。其中,每条链路(或边)的时延以占主导地位且变化幅度比较大的排队时延为主,综合考虑处理时延、传输时延和传播时延;而链路的代价则以当前的链路的利用率进行表征,在构建steiner树时,首先构建两棵steiner树,即时延最小steiner树和代价最小steiner树,当某终端结点的最小代价路径满足时延约束时,将代价最小路径加入组播树中,否则,将时延最小路径加入组播树中。由此便构成了满足时延约束的最小代价steiner树。
【学位授予单位】:北京邮电大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TP391.44;TN929.5

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