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软件定义物联网分布式控制机制研究

聂祥  
【摘要】:随着无线通信和嵌入式技术快速发展,物联网业务种类的多样性带来大量的移动需求。对于地理位置分散的移动物联网设备,它们的移动性带来网络流量动态不均衡特征突出,主要表现在网络状态一致性,流量负载均衡等方面。城市物联网场景下如何协调、管理移动设备,保证不同地理区域的移动流量快速动态调整以及数据交换的灵活性,是一个亟待解决的问题。结合软件定义网络(Software Defined Network,SDN)的转发控制分离的特性,本文提出了基于一致性覆盖结构的分布式控制机制以管理移动场景下的物联网,主要内容包括以下几点:(1)本文设计了一种有效的移动管理框架。首先,针对城市尺度物联网使用多个控制器将网络空间划分为多个网络分区进行管理,并提出一种基于分布式哈希函数的覆盖结构将网络分区映射为节点以实现分布式控制,在移动场景下该覆盖结构具有高效的一致性维持能力。然后,基于此覆盖结构设计了一种跨区域的业务流切换方法,它能有效地降低切换时延和提高网络吞吐量。最后,设计了一种可扩展控制和容错方法可以有效地维护分布式网络的可扩展性和稳定性。(2)基于网络演算理论设计了一种针对SDN的性能分析模型,该分析模型利用SDN控制器提供的精确测量方法能比较准确地评估网络状态。此外,使用网络演算队列模型更进一步对OpenFlow交换机和SDN控制器的性能进行分析,从而基于多个网络性能指标为网络空间状态提供更精细化的分析方法。然后,提出一种基于双哈希函数的动态映射算法,它可以自适应地缓解交换机和控制器的静态映射引起的流量突出问题。(3)本文扩展了开源控制器Floodlight的功能,设计了一个分布式SDN系统原型,它包含了所提出的移动管理框架、性能分析模型以及负载均衡功能模块。通过设置移动场景的仿真实验进行验证,实验结果表明系统原型是有效性的。


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