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《北京邮电大学》 2018年
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软件定义网络在多租户数据中心中的关键问题研究

胡文博  
【摘要】:随着云计算应用与用户的快速增长,数据中心网络(Datacenter Networking,DCN)已成为云生态系统中支撑巨大计算需求的关键组件。但是,使用传统网络架构的DCN在性能保障,安全执行以及资源和能源管理等方面都面临巨大挑战。尤其是在多租户环境下,如何提供灵活、安全、高效的网络服务是DCN亟待解决的问题。软件定义网络(Software Defined Networking,SDN)作为新兴的网络体系架构,凭借其集中管控和网络可编程的特性,不仅能够提升网络性能,还能提供全新的网络功能并提高网络资源的利用率。由于其灵活的网络架构能够很好的满足复杂云计算应用对DCN的需求,将SDN应用到DCN受到了学术界和产业界的广泛关注。针对软件定义数据中心网络,本文对数据平面连通性、控制平面东西向数据管理以及跨DCN的网络传输调度三个方面展开研究。本文的主要创新工作包括以下三个方面:(1)围绕DCN网络连通性问题,提出了基于SDN的主动式网络连通性修复策略。虚拟机迁移会导致网络状态发生变化,控制器在迁移前下发的网络配置并不适用于迁移后的网络状态,这就导致了网络连通性无法得到保障。针对这一问题,本文首先提出了适用于虚拟机迁移的网络更新模型,用于形式化表述网络状态与配置关系,并对虚拟机迁移、网络连通性等给出了形式化定义。基于上述成果,本文提出了主动式网络连通性修复策略。通过对迁移前后的两种网络状态进行比较,计算出需要更新的网络配置规则集;再主动地在迁移发生时尽快对规则集进行批量更新,从而加速恢复网络的连通性。仿真结果表明,主动式网络连通性修复策略在占用更少的数据平面资源的基础上,能够以更快且稳定的速度恢复网络连通性。(2)围绕DCN控制平面东西向数据存储与同步问题,设计并实现了基于区块链的东西向数据管理平台。为了实现东西向信息交互,大多数SDN控制器设计并实现一套独立、不通用的东西向数据同步机制与接口。但是,数据的存储与同步工作仍然是以控制器为中心,任意一个控制器发生故障都有可能导致同步数据的丢失,进而影响DCN的稳定性。针对这一问题,本文首先提出了基于业务的数据存储模型,用于让数据的使用者定义其对数据存储与同步的需求。在此基础之上,本文设计并实现了基于区块链的东西向数据管理平台。该平台能够充分利用区块链技术将数据的同步、更新、验证工作从控制器转移到该平台,从而减少控制器的负载并提高控制平面的可靠性。本文结合该平台设计并实现了虚拟机网络地址管理和无连接的远程接口调用的功能,用以展示该平台的功能与特性。仿真实验结果表明,数据管理平台能够灵活地满足不同的数据存储需求,并降低控制器负载,提供安全可靠的数据服务。(3)围绕跨DCN网络传输问题,提出了基于完成时间的流量调度策略。在有限的网络带宽条件下,如何保证网络传输任务在截止时间前完成将直接影响着租户运行于数据中心内的各种服务以及整个DCN网络的效益。已有的研究工作主要侧重于将多种多样的网络传输任务根据特征分类,再按照类型的优先级依次进行流量规划。但是,这些方案都无法保证传输任务能够在截止时间内完成。因为粗粒度的分类方式无法对相同类型的传输任务进一步区分,进而导致传输任务错过截止时间而获得较差的性能表现。针对这一问题,本文提出了基于完成时间的网络传输模型,让租户定义网络传输任务及其在不同完成时间下对其业务的影响。在此基础之上,本文提出了基于完成时间的流量调度策略,通过预测传输任务的完成时间来计算能够获得最大收益的流量分配方案。此外,通过引入公平性系数对带宽分配方案的公平性和最终收益进行调整。在进行原型系统开发的同时,本研究设计并开发了数据中心间广域网拓扑模拟工具,用于在仿真实验中模拟任意拓扑并可以动态调整其中的链路状态。仿真实验表明,基于完成时间的流量调度能够提升网络带宽利用率的同时,获得更高的系统收益,并通过调整公平性系数在调度方案和网络传输的公平性上取得了良好的平衡。
【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】:TP308;TP393.0

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