软件定义网络中的网络更新技术研究

发布时间：2020-08-31 15:46

　　 随着网络的迅速发展,传统网络封闭僵硬,功能耦合等弊端日益凸显。为了更加灵活地定制网络功能,将原本高度硬件化的传统网络软件化,增强网络的可编程性,软件定义网络应运而生。在软件定义网络架构中,控制层和数据层实现了分离,控制层可以集中地调度管理数据层,实现整个网络的灵活更新。然而不合理的更新方案不仅会造成网络性能的大幅下降,甚至还会导致整个网络瘫痪。由于软件定义网络中的更新操作相当频繁,因此设计出一套高效可靠的更新系统显得尤为重要。对此,本文分析研究了软件定义网络中不同场景下的更新问题,设计并实现了两种不同的网络更新系统。本文的第一个工作是提出了一个可以主动预测流速率,且对网络整体效用感知的更新系统Hermes。为了更好地分析最大化效用的网络更新问题,此项工作中提出了详细的优化框架,证明了最大化效用的网络更新问题的难度,同时分析了相关算法的复杂度。该系统首先主动预测流的速率,接着采用凸松弛技术获取流量降速方案的初始解,为了进一步增加更新过程中的整体效用,该系统继续采用贪心的方式调整每条流的速率,同时仍然保持更新过程中无拥塞。真机实验和大规模的仿真结果均表明,和现有的工作相比,该系统可以提升约80%的效用,同时减少约40%的更新时间和55%的更新开销。本文的第二个工作主要研究OpenFlow 1.5版本新引入的同步定时更新特性,并基于此特性提出了一个保证更新过程无拥塞的更新系统Chronicle。和第一个工作不同,此项工作不再关心网络效用,而是关注更为一般性的问题,即如何在不对数据流降速的情况下,通过调度每个交换机节点的更新时间,得到一套更新过程无拥塞的更新方案。此项工作引入了时间扩展网络等一系列概念,可以有效地帮助分析和设计基于同步定时网络的更新算法。该系统通过构造资源关系依赖图,找出更新节点之间的依赖关系,为每个节点计算出精确的更新时刻和对应的转发规则,实现整个更新过程无拥塞。真机实验和大规模的仿真结果均表明,该系统可以避免更新过程中瞬时的拥塞,从而减少约63%的更新时间和50%的更新规则数目,与最优解差距平均小于20%。
【学位单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP393.0
【部分图文】：

３．２．２研究动机示例逡逑在一个基于软件定义网络架构的数据中心网络中，只要拓扑或者流量矩阵逡逑发生了变化，为了优化性能控制器就需要重新计算路由。如图３－２（ａ）里的例逡逑子，图里有４个交换机４，．．．，／＾，所有链路的容量都是１个单位。＾和尸《是逡逑两条流，分别从Ａ到Ａ和从＆到／？：ｉ，两条流的初始速率假设都是Ｉ个单位，逡逑这两条流的初始路由情况见图３－２（ａ）。假设有一条新的流从心到心，速率是Ｉ逡逑

图３－３：两种实时服务的效用函数逡逑个单位。为了避免这条新的流和Ｆｓ在＆到／？２上发生拥塞（拥塞指的链路的容逡逑量小于经过的流的速率之和），控制器需要重新调整路由。为了使得这３条流的逡逑源节点和目的节点保持不变，且经过的链路上不发生拥塞，控制器希望将初始逡逑路由更新成图３－２（ｂ）的状态。然而由于更新顺序的不同，在更新的过程中可能逡逑会形成图３－２（ｃ）或者图３－２（ｄ）的路由状态。在这两种情况下，更新的过程中心逡逑到／？：ｉ（如图３－２（ｃ））或者＆到心（如图３－２（ｄ））就会发生拥塞，造成严重的丢包。逡逑为了避免这种异步更新过程中瞬时发生的拥塞，需要调整流的速率［７１。假逡逑设按图３－２（ｅ）为流６和心分配速率，＾和都将速率降为原来的一半，即逡逑０．５个单位。那么在图３－２（ｃ）和图３－２（ｄ）里，即使两条流经过同一条链路，速逡逑

逦１９逡逑对应图３－２（ｄ）中所出现的情况。约束（３－ｌｂ）是流速率的守恒约束，它表示减少逡逑后的速率Ｘ／不能超过原始的速率４。逡逑３．３．３难度分析逡逑赢逡逑——４逡逑ｎ／２邋卜逡逑图３－４：从划分问题归约到最大化效用的网络更新ｍ题的例ｒ逡逑定理３－１描述了最大化效用的网络更新问题的难度。逡逑定理３－１即使对于一个只包含两个交换机和两条平行链路的网络来说，最大逡逑化效用的网络更新问题也是ＮＰ难问题。逡逑证明：图３－４是一个特殊的最大化效用的网络更新问题的例子。链路＾和＾的逡逑容量是Ｃ。有纟条流的初始路由经过链路并且最终路由经过链路ｑ。流的逡逑速率和效用函数分别是４和／以Ｋ＋邋＝邋Ｃ／以？：）表示属于实时服务的流的效逡逑用函数，这些流满足／ｅ｛ｌ，２，…，ｎ／２丨，属于实时服务。类似的，还有ｆ条流的逡逑初始路由经过链路ｑ，并且最终路由经过链路这些流的速率和效用函数逡逑分别是４和／0，同时这些流满足／邋ｅ丨《／２邋＋邋ｌ，ｎ／２邋＋邋２，也属于实时服逡逑务。在这个例子中，每条属于实时服务的流／的效用函数都有…个临界点ｒ，．，逡逑定义如下：逡逑Ｍｘ／）邋＝邋ｊｏ逡逑其中Ｇ邋＋邋ｆ邋＝逦｛１，２，…，是一个任意小的数字。函数表示当减少的逡逑流的速率大于ｅ时，流的效用就降到０，否则效用为１。逡逑

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本文编号：2809007