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软件定义网络节能技术研究

胡滢  
【摘要】:软件定义网络(Software Defined Networking,SDN)将网络的控制功能从数据转发平面中解耦出来,通过逻辑集中且可编程的控制平面管理底层网络设备。因其可编程性、可控性强及灵活性较高等优点,SDN的应用范围越来越广。然而在其快速发展的同时,与传统网络相同,SDN中依然存在能量浪费的问题。考虑到迅速增长的能源成本及日益严格的环保标准,能量浪费问题不容忽视。虽然传统网络中的一些节能技术在SDN中仍然适用,但由于SDN控制和转发相分离的架构特性,也迸发出新的问题。结合传统网络中的节能技术,本文分别从数据传输、控制器部署及节能后网络的性能优化等方面针对SDN中的能耗问题展开研究,主要贡献及成果主要概括为如下三个方面:(1)针对当前适用于SDN的节能技术未考虑能耗优化前网络的工作状态,容易引起路由振荡这一问题,提出一种基于网络虚拟拓扑的节能机制。首先,在提出的基于网络虚拟拓扑的节能机制中,控制器将当前网络的工作状态映射为一张虚拟拓扑,路由算法根据此虚拟拓扑和实际的物理拓扑,在不改变当前运行中数据流的传输路径的前提下为新业务计算路由,提高了网络的稳定性。其次,通过分析该节能机制中的能耗问题,将其抽象为一个混合整数线性规划模型,并归类为多商品流问题,证明其为NP-hard问题。然后,考虑到问题的复杂度较高,提出两种适用于该机制中的路由算法。其中,一种基于网络中链路的固定权重,另一种则根据链路工作状态动态地调整其权重,并分析了两种算法的复杂度,验证其为多项式时间算法。最后,通过仿真验证了各算法的节能效果,并评估了其对网络性能的影响。(2)为降低控制网络的能耗,提出一种综合考虑时延和负载均衡的控制器节能部署方案。首先,为保证控制网络的性能,在控制器的部署问题中以建模并仿真的方式从控制路径的平均传播时延和最长传播时延两方面分析了控制器间负载均衡对控制网络的目标时延的影响。然后,在此基础上,在时延和负载均衡的双重性能保证下,将基于节能的控制器部署问题抽象为一个二进制整数规划模型,并将其归为设施选址问题,得出该模型仅适于小规模网络的结论。之后,对于大规模网络,提出一种基于改进的遗传算法的控制器节能部署方案;并分析了该算法的复杂度,验证其为多项式时间算法。最后,通过仿真评估了两种方法的节能效果,并评估了节能对控制网络时延的影响。(3)为降低节能技术对网络性能的影响,提出一种基于代数连通度的绿色网络性能优化算法。首先,在分析网络拓扑代数连通度与网络性能关系的基础上,定义了绿色网络的性能优化问题。然后,基于领域搜索,提出一种该问题的启发式求解算法,在网络节能的前提下,尽可能地提高绿色网络拓扑的代数连通度。最后通过仿真,验证了所提优化算法的有效性,并评估了算法中各参数对其性能的影响。


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