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软件定义网络中的多路径传输机制研究

高楷  
【摘要】:随着网络通信技术的快速发展,网络流量与终端数量呈现爆炸式增长,这些将给网络的数据传输服务带来巨大的压力与挑战。同时,现有网络架构的专有性和封闭性导致网络配置繁琐、效率低下,难以实现网络的智能管控与动态适配。近年来国内外诸多学者已开展了关于未来网络架构与传输协议的研究。软件定义网络作为未来网络的代表之一,其“控制与转发相分离”的设计特点保证了数据传输的可管可控,更灵活地支持网络资源的动态适配。此外,多路径传输协议充分利用网络设备多接口特性,通过多条路径传输数据,可有效提升网络吞吐量。因此,在软件定义网络中部署多路径传输协议将会提升网络的传输性能。然而,如何实现软件定义网络中高质量的多路传输服务仍然面临着诸多挑战:(1)现有多路径传输路径管理方法相对盲目、低效,终端侧和网络侧缺乏协作;(2)现有多路径传输数据调度中存在传输性能与价格开销之间的矛盾,无法在这两者之间做出平衡折衷;(3)现有多路径传输切换方法相对滞后、考虑的切换指标单一,难以根据切换过程中网络的实时变化进行主动性能补偿;(4)现有多路传输拥塞控制算法大多缺乏对实时网络应用数据新鲜程度的均衡考虑。针对以上挑战,本文重点从软件定义网络中多路径传输的路径管理、数据调度、移动切换与拥塞控制四个方面展开了深入研究,具体取得了如下成果:(1)设计了服务质量驱动的多路传输路径管理方法。构建了“网络侧-终端侧”联合优化的新型传输架构,在该架构下提出了基于SDN的拓扑收集与路径计算方法,子流数量优化方法,确定性路径分配方法,通过以上三种方法的相互协作,有效提升了网络吞吐量。(2)提出了随机优化的多路传输数据调度策略。该策略综合考虑了传输性能与价格开销,利用Lyapunov优化方法对该问题进行随机优化建模,制定相应的调度控制决策;此外,在网络侧,SDN控制器将网络的状态信息反馈至终端侧,这些信息能够辅助终端侧做出数据调度决策,实现了性能与开销的平衡折衷。(3)提出了博弈增强的多路传输补偿切换方法。设计了基于流模型的主动补偿切换方法,将吞吐量维持在稳定的状态;提出了基于SDN的最优候选候选接入点选择博弈方法,辅助终端侧做出最佳的切换决策,实现了对用户透明、无缝平滑的移动切换。(4)提出了信息年龄感知的多路传输拥塞控制算法。构建了全新的四元组多路传输模型,表征融合数据包级和数据流级的传输状态;在连接建立阶段,设计了面向SDN的信息年龄评估算法;在数据传输阶段,提出了基于流模型信息年龄感知的多路拥塞控制算法,满足了实时网络应用最新信息的更新需求。本文在软件定义网络中,以多路径传输机制为主线,通过构建“网络侧-终端侧”联合优化的新型传输架构,将SDN技术与多路径传输技术有机地结合起来,形成了一整套研究方案。本文所取得的成果与进展对我国新一代网络架构设计优化、数据传输服务的应用发展具有一定的借鉴意义。


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