软件定义网络中路由更新和流量统计收集的延迟优化

发布时间：2020-07-29 18:26

【摘要】：由于流的动态性,一个软件定义网络通常需要频繁地对它的数据平面做路由更新,来优化如负载均衡等性能指标。大部分已有的解决方法都是基于当前的流的状态来确定一个新的路由方案,然后为当前的流更新转发路径。然而,由于TCAM(三态内容寻址存储器)流表上的更新操作速率较慢,在一个大规模且频繁更新的网络中,路由更新可能会带来严重的延迟。根据最近的研究结果,大部分数据流的持续时间都较短,且整个网络的负载在一段时间之后通常会显著变化,因此如果一次路由更新耗时过长,那么新的路由方案很可能已经不再高效了。除了路由更新外,流统计收集操作的效率也严重影响了网络的整体性能。在软件定义网络中,控制器需要频繁地收集数据平面上交换机的流统计信息作为一些网络应用(如路由更新、攻击检测等)的输入。然而已有的流统计收集方法可能会产生很高的延迟开销,进而会影响这类网络应用的性能。在本文中,我们针对软件定义网络中路由更新和流统计收集两大重要场景,对延迟优化展开研究。本文的主要贡献为:提出了实时路由更新方法,结合控制平面上的路由选择和数据平面上的更新调度来优化网络性能。我们形式化地给出延迟满足的路由更新(DSRU)问题,并证明了它是NP-难的。我们提出了基于随机舍入的更新算法,并分析了算法的近似性能比。最后,我们将提出的方法部署在SDN实验平台和仿真平台上。实验与仿真的结果表明,与已有路由更新算法相比,我们的算法可以在保证得到非常接近的路由性能(只增加大约3%的链路负载率)的前提下,减少约60%的路由更新延迟。针对流统计收集的延迟优化提出了基于掩码收集的延迟代价最优流统计收集(CO-FSC)方式。我们给出了一个近似比为f(f为每条流经过的交换机节点数的最大值)的基于舍入的算法,以及一个基于对偶转化的贪心算法。我们对提出的算法进行了大量的仿真实验,结果表明与已有算法相比,我们的算法可减少45%以上的延迟开销。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP393.0
【图文】：

应用层,控制层,基础设施,三层模型

状态改变作出反应，从而保证上层的控制逻辑不受影响；最后，ＳＤＮ控制器对逡逑网络状态的全局视图大大减小了各种网络功能、应用、服务的开发难度。逡逑如图２．２所示，普遍的ＳＤＮ架构可以自下而上分为基础设施层（数据平面），逡逑控制层（控制平面），和应用层。其中控制层的南向接口连接基础设施层，北向逡逑接口连接应用层。这样的架构设计让网络管理员可以在应用层完成大部分的网逡逑络管理工作，也使网络应用的部署变得简单和不易出错。逡逑应用层逦（ｆｒ逡逑ＳＤＮ应用逡逑Ｖ

路由,例子,路由配置,单位

（ａ）当前路由配置逦＜ｂ）目标路由配置逡逑图３．１邋—个路由更新的例子：每条链路的容量为丨０个单位，为了避免瞬时拥塞，应该逡逑先更新７３再更新７２，否则链路％你上会产生拥塞。（ａ）当前路由情况；（ｂ）目标逡逑路由配置逡逑３．２．４．逦＿致性约束逡逑在网络更新过程中，数据包／流的一致性需要得到保证：每个数据包（或数据逡逑流）所被转发的路径可以是按照更新之前的路由配置，也可以是按照更新之后的逡逑路由配置，但是不允许是二者的混合［２］［３］。这个强约束对于如ＨＴＴＰ负载平衡器逡逑等应用是十分重要的。在许多己有的算法中，两阶段更新机制〖２】［３］己经被提出，逡逑并被较为广泛地采纳。两阶段更新可以提供一个简单，高效，且满足一致性的路逡逑由更新方式。因此我们的路由更新方式也会建立在两阶段更新机制的基础之上。逡逑为了保证数据包（或数据流）的一致性，两阶段更新机制需要满足以下限制：逡逑定义３．１邋（—致性更新顺序（ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ邋ｕｐｄａｔｅ邋ｏｒｄｅｒ））给定一条数据流７，假逡逑

主机,数据流,拓扑,路由

汜（７）到兄％：）的路由更新需要满足以下三个限制：逡逑？无拥塞约束：在路由更新期间，经过适当的调逡逑度更新顺序，网络中不应出现瞬时拥塞（如图３．１所示）。逡逑？一致性约束（／％？如切７0冰－＜：０？也如７￡＞＞｜￡；０似／／＊出＞７／）：对于１＾中的每条流７，我逡逑们都要保证一致性路由更新。对于流７，入口交换机（ｉｎｇｒｅｓｓ邋ｓｗｉｔｃｈ）上的逡逑流表项修改要在所有的内部交换机（ｉｎｔｅｒｎａｌ邋ｓｗｉｔｃｈ）上７的流表项都己更逡逑新完成后再开始。逡逑？低延迟约束：所有交换机上最大的路由更新延迟不逡逑应该超过ｒＱ，其中ｒＱ是一个预先定义的最大可容忍的延迟。逡逑在路由更新结束之后，我们得到每条链路ｅ上的流量负载，记作／（ｅ）。我们有逡逑Ｒｅ）邋＝邋Ｚ＾ｅｒ，ｅｅ７ｅ／ｗ如）彡Ａ邋？邋ｃ（ｅ），其中入为最大链路负载因子，ｃ（ｅ）为链路ｅ逡逑的容量。为了给之后来的新数据流提供更加灵活的路由选择，我们的目标是最小逡逑化Ａ，也就是使网络的链路负载平衡。逡逑定理３．１邋ＤＳＲＵ问题是ＮＰ－难的。逡逑证明我们通过说明多处理器调度问题［４４］可以表达为ＤＳＲＵ问题的一个特逡逑殊形式

【相似文献】