软件定义网络中无拥塞一致数据平面更新策略研究

发布时间：2020-09-10 12:31

　　由于软件定义网络(SDN)中的控制器拥有网络状态的全局视角,可以提供灵活的管理和控制,因此SDN已被广泛应用于流量工程和故障恢复。在SDN中虽然控制平面是逻辑集中的,但数据平面仍然是分布式系统。在流迁移期间,由于数据平面交换机的异步更新,转发规则的更新可能不一致。不一致的更新可能导致更新期间出现黑洞、循环和瞬时拥塞。不幸的是,黑洞、循环和瞬时拥塞的发生可能导致流量暂时中断和吞吐量降低。因此,为了解决上述问题,必须仔细考虑规则更新顺序以保证规则更新的一致性。此外,在大多数情况下,网络中的工作负载随时间不断变化。如果路由更新需要较长的延迟时间,则对于更新后的工作负载,最终路由配置可能无效。因此,如何在同时避免黑洞,循环和瞬时拥塞的情况下,降低更新延迟变成了亟需解决的问题。于是,本文研究的主要内容是如何在SDN网络中快速、一致地更新数据平面中的转发规则。首先,本文从更新调度的角度考虑,提出了一种规则更新方法,在避免黑洞、循环和瞬时拥塞的同时,可以缩短规则更新的时间。其次,本文从结合路由选择和更新调度的角度考虑,提出了一种联合优化路径选择与更新调度的更新机制以最大化被更新的流的数量。本文主要研究内容阐述如下:(1)本文提出了一种可以同时避免黑洞、循环和瞬时拥塞的规则更新方法。首先,本文分析了如何避免黑洞、循环和瞬时拥塞,并构建了三个相应的避免模型。其中,为了避免黑洞和循环,该方法构建了无黑洞和无循环的规则更新依赖图,且最大化了每个分段中可以同时更新的节点的数量以缩短规则更新的时间。为了避免瞬时拥塞,该方法通过构建无拥塞依赖图来延迟部分需要被移入潜在拥塞链路上的流的更新,并最小化需要被延迟更新的流的数量以减少规则更新的排队时间。随后,分别提出了三个新颖的黑洞避免算法、循环避免算法和拥塞避免算法。此外,本文提出了一种新的规则更新(RU)算法,它结合上述三个算法来更新规则,以同时避免黑洞、循环和瞬时拥塞。仿真结果表明,与现有工作相比,RU算法可以显著减少单条拥塞链路上被延迟更新的流的数量以及规则更新的完成时间。(2)本文提出了一种联合优化路径选择与更新调度的更新机制。该更新机制通过分段更新流的新路径中的节点以降低更新之间依赖关系的复杂性,并且每条流最多可以在同一交换机的流表中保存最多一个流条目以减少TCAM开销。具体来说,本文首先在链路容量约束和更新延迟约束下将路由选择刻画为一个最小化最大链路利用率问题。其次,本文分别构建了避免黑洞、循环和瞬时拥塞的模型。随后,本文分别提出了相应的路径选择算法和更新调度算法。此外,本文提出了一个联合优化路由选择和更新调度的算法,该算法结合了上述两个算法来减少TCAM的开销和增加被更新的流的数量。最后,本文从TCAM的开销、链路利用率和被更新的流的数量这几个性能指标分析了本文的算法。仿真结果表明,与以前的工作相比,本文的解决方案减少了TCAM的开销和增加了被更新的流的数量。
【学位单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP393.0

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