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面向SDN的物联网服务中间件关键技术研究

师玉龙  
【摘要】:物联网服务是指在物联网场景中为用户提供无处不在的、实时的、安全的和智能化的服务。近几年来,随着智能设备的普及和传感技术的进步,物联网设备和服务爆炸性增长。面对海量数据、异构网络和多样化的服务需求,如何设计和实现物联网服务变成了一个亟待解决的问题。发布/订阅中间件常被用来构建物联网服务的通信基础设施,旨在建立一个物联网平台对下层网络统一消息格式、互联异构网络,对上层应用提供统一的抽象,并为物联网服务高效地交付事件。新兴的软件定义网络因其逻辑上中心化的控制器和控制与转发分离等特性为网络带来了良好的可编程性和灵活性。SDN可用于解决物联网服务中从发布者到订阅者间交付事件的服务质量保证难题。发布/订阅中间件与SDN结合,形成了面向SDN的发布/订阅中间件,更进一步地推动了物联网时代的到来。本文的研究工作和创新点如下:(1)针对如何利用SDN和发布/订阅中间件提供物联网服务的问题,提出了似SDN的发布/订阅中间件架构和实现框架,并详细阐述了如何使用该架构去实现似SDN的面向主题的发布/订阅中间件原型作为物联网的通信基础设施。本文还描述了如何利用SDN网络的可编程性通过SDN控制器编码事件主题优先级和授权策略到SDN交换机流表项的匹配字段去实现区分化的物联网服务和用户访问控制,提高了物联网事件交付的效率和安全性。(2)针对物联网服务中QoS的保证难题,设计了支持跨层QoS的控制框架去提高物联网服务中似SDN的发布/订阅中间件交付事件的QoS。跨层意味着在不同的管理层面控制QoS。一层在控制层,利用SDN集中化控制的特性从局部角度提高SDN控制器自治域内的QoS,另一层在全局管理层,从管理员的角度提高全局网络的QoS。并用区分化服务和访问控制两个应用场景验证了跨层QoS控制框架设计的合理性。(3)针对物联网服务中海量时延敏感数据实时交付的问题,设计了一个改进最短路的面向主题的Steiner树多播路由算法,去为多个主题构建发布/订阅覆盖网络,最大程度地减少了事件传输的总链路时延并减少了 SDN交换机中的流表项数,提高了事件交付的效率,形成了快速多播路由。还设计了一个面向主题的基于桶的多播转发算法去提高事件转发的效率,并考虑了主题间的订阅覆盖关系去减少交换机的流表项数,提高了交换机的匹配能力。这两个算法和似SDN的设计一起构成了物联网中似SDN的面向主题基于桶的快速多播路由。(4)针对物联网服务中用户需求多样化定制化的特点,提出了如何使用似SDN的发布/订阅中间件架构和在SDN交换机的出端口上配置优先级队列来提供区分化的物联网服务。本文从两个角度设计了基于用户需求的两层队列管理机制去保证区分化服务的可靠性:一个是SDN控制器中关于单个交换机的本地队列带宽调整算法。另一个是管理员中关于从发布者到订阅者路径上所有交换机的全局QoS控制策略。这样,利用SDN集中化的控制去获得全网拓扑,从系统角度动态配置交换机的时延约束,更合理地分配队列带宽,保证了物联网区分化服务的可靠性。


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