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《国防科技大学》 2018年
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基于网络演算的软件定义网络服务质量研究

任双印  
【摘要】:随着物联网、社交网络以及智能城市的发展,网络流量仍在迅速增长。流量工程可以在复杂的网络环境中,实现对数据流分布的精确控制,为不同类型的业务提供不同的服务,为关键业务提供所需的服务质量(QoS)需求。软件定义网络(SDN)将控制功能从网络设备中剥离形成一个单独的控制层,使得SDN控制器可以获得对网络设备和网络流量的全局视图,这为流量工程的实现和端到端的QoS研究提供了新的契机。网络演算是计算机网络性能分析的一种重要理论工具,其利用最小加代数理论建立了完善的网络端到端服务质量上确界分析理论。本文基于网络演算理论研究了SDN网络中实现流量工程的可行方法和理论系统。我们结合SDN网络模型自下而上分三个层次研究了SDN中端到端的QoS保障和流量工程的实施:首先基于网络演算理论研究了SDN中控制层剥离的网络演算理论模型,分析了不同队列规则中的资源共享机制;其次面向SDN控制层获取的全局视图研究了流量矩阵的提取与评估理论,并基于流量矩阵建立了网络演算矩阵分析模型;之后基于网络演算模型和网络演算矩阵理论研究了SDN网络中的带宽保障和延迟保障的QoS路由。本文的最后研究了SDN在无线传感器网络(WSNs)中的应用。依上所述,本文的研究内容可以归纳为以下四个方面:(1)基于网络演算的软件定义网络分析模型在传统网络模型中,研究者基于网络演算展开了流量分析模型、冲突模型以及网络性能上限等方面的研究,而在SDN控制层分离的网络范式中,数据流冲突模型以及网络资源共享机制都与传统的OSI网络架构有着很大的差异。我们依据Openflow交换机的功能结构建立了在SDN控制层剥离架构下交换机的数据流冲突模型,研究了聚合冲突和交换冲突两种情形;基于网络演算分析了通用的网络资源共享机制,研究了丢尾策略先入先出、随机公平排队和分层口令桶三种资源共享调度策略。这部分的研究工作为网络演算在SDN中的应用提供了基础,为SDN控制层利用网络演算提供端到端的QoS保障提供了支撑。(2)软件定义网络流量矩阵和服务矩阵流量矩阵反映整个网络的流量负载情况,为网络规划、流量工程和路由优化提供决策依据。而流量工程研究目前面临的主要难题仍有两个,一是监测损耗低且监测、评估精确度高的流量矩阵提取仍有困难,二是如何将流量矩阵有效地用于流量工程和QoS保障仍缺乏完善的理论系统。我们基于SDN中Openflow协议的事件信息,在SDN网络中实现了一种响应式流量矩阵提取与评估算法,通过Openflow指令查询网络中核心链路的流量负载,估测聚合链路的流量信息,构建一个完整的流量矩阵。并基于网络演算理论在流量矩阵的基础上提出了服务矩阵和剩余服务矩阵理论,在SDN中提出了网络演算的矩阵化方法。这部分研究有效地解决了SDN中流量工程应用所面临的工程和理论的部分困难。(3)软件定义网络QoS保障的路由实施流量工程的目的是在复杂的网络环境中,控制不同的业务选择不同的路径,并对关键业务提供带宽、延迟等QoS保障。在这部分研究中我们基于上述工作中的SDN网络演算分析模型、流量矩阵和服务矩阵理论研究了QoS保障的路由算法,实现了SDN网络中带宽保障路由、延迟保障路由等流量工程功能。并构建了基于Mininet、Ryu和OVS的仿真平台,验证上述路由算法。这部分研究将网络演算分析模型和服务矩阵理论运用于流量工程,为流量工程的研究提供了新的研究途径。(4)软件定义无线传感器网络路由WSNs是物联网和智能城市的核心技术之一,SDN的产生为WSNs硬件资源的重复利用、网络管理带来了新的契机和挑战,软件定义WSNs中的网络管理并不能脱离传统的WSNs路由技术。我们研究了WSNs中动态环境和静态环境中的改进型路由算法:基于AODV协议的原理,在路由发现和路由建立之间通过评估路由的能量和负载,建立能效更高、链路更稳定的路由。基于SDN-WISE的工作采用Python实现了一个SDN控制器,验证了软件定义WSNs的工作原理,提出了资源集约的路由协议,仿真测试了不同拓扑结构下源端和目的端之间的跳数、发送/接收占空比等指标。结果表明SDN为WSNs网络带来的网络管理的可编程性对于资源受限性的无线传感器节点具有重要的积极意义。综上所述,本文主要对SDN中网络演算理论、流量矩阵理论以及QoS保障的路由算法展开了深入研究,为SDN中流量矩阵的提取、网络演算理论的系统化提供了研究方法,并研究了SDN在WSNs中的应用,具有一定的理论意义和应用价值。
【学位授予单位】:国防科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TP393.0

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【参考文献】
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