基于服务功能链的交换机架构研究

发布时间：2020-10-14 16:15

　　 随着网络规模的不断扩大,网络应用日趋多样化,传统交换机日益暴露出的功能扩展性差、资源过配置等问题,需要从根本上重新设计交换机体系架构加以解决。网络功能虚拟化(Network Function Virsualization,NFV)技术通过虚拟和整合传统的专用网络设备,支持数据流量按需经过服务功能链(Service Function Chain,SFC)处理。通过在交换机架构中引入NFV和SFC,可实现交换节点内部多种网络功能的灵活组织和按需管控。所以本文对引入NFV和SFC后的交换机架构设计以及该架构下的网络功能部署、分组调度等问题进行了研究,在实现更加智能的数据平面的同时,最大程度地保障交换处理性能。本文提出了一种基于服务功能链的交换机架构(Service Function Chain based Switch Architecture,SFCSA),该架构将传统线卡上的非通用功能分离出来,通过网络功能池中的服务功能链为交换机数据平面提供可灵活定制、资源按需分配的处理功能。分类器通过规则匹配将进入SFCSA架构的数据包划分为不同类型,并使用标识服务功能路径的SFH(Switch Function Header)协议对需要经过网络功能池处理的数据包进行封装;调度器对所有数据包进行一次或多次分组调度,实现SFCSA架构中的网络功能处理和交换转发。针对SFCSA架构下的网络功能部署问题,本文采用最优化理论将其建模成0-1整数规划,通过将优化问题规约为图划分问题,提出了一种新的部署算法MFMTP(Modified Fiduccia-Mattheyses based Two Phase Algorithm)。算法中定义了一个新的指标“关联度(Relevancy Degree,RD)”来衡量网络功能实例之间的流量关系,并基于RD对MFMTP算法的初始部署解进行迭代优化,以实现最小化交换结构与网络功能池之间交互流量的目标。仿真结果显示,MFMTP算法与现有的贪心算法相比,在降低交互流量与提高系统吞吐率方面有更好的性能表现。针对SFCSA架构下的分组调度问题,本文对当前被广泛使用的FIRM算法进行改进,提出了一种新的调度算法BSC-FIRM(Balanced Sevice Capacity based FIRM)。算法中定义了一个新的指标“服务能力(Service Capacity,SC)”来衡量调度过程中各队列的状态,并基于SC对FIRM算法的迭代调度过程进行优化,以实现高性能的分组调度。仿真结果显示,对于SFCSA架构下不同的流量模型,BSC-FIRM算法在时延和丢包率方面均优于对比算法。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP393.05
【文章目录】：
摘要
abstract
缩略词表
第一章 绪论
    1.1 研究工作的背景和意义
        1.1.1 本论文研究的背景
        1.1.2 本论文研究的意义
    1.2 本论文的主要内容及贡献
    1.3 本论文的结构安排
第二章 相关技术背景介绍
    2.1 可编程数据平面技术
        2.1.1 OpenFlow协议
        2.1.2 POF技术
        2.1.3 P4架构
    2.2 网络功能虚拟化
    2.3 服务功能链
        2.3.1 SFC架构
        2.3.2 NSH协议
        2.3.3 SFC转发流程
    2.4 本章小结
第三章 基于服务功能链的交换机架构设计
    3.1 总体架构设计
    3.2 本架构与现有研究的区别及优势
    3.3 分类器的设计与实现
        3.3.1 数据包分类
        3.3.2 SFH协议设计
    3.4 调度器的设计与实现
        3.4.1 SFP管理
        3.4.2 分组调度
    3.5 SFCSA报文处理流程
    3.6 仿真结果与分析
        3.6.1 仿真环境设置
        3.6.2 功能验证
        3.6.3 性能影响因素分析
        3.6.4 仿真结论
    3.7 本章小结
第四章 SFCSA架构下的网络功能部署算法研究
    4.1 研究现状
    4.2 问题描述与建模
        4.2.1 系统模型
        4.2.2 问题描述
        4.2.3 问题建模
    4.3 算法设计
        4.3.1 FM算法
        4.3.2 关联度定义
        4.3.3 MFMTP算法
        4.3.4 算法复杂度分析
    4.4 仿真结果与分析
        4.4.1 仿真环境设置
        4.4.2 仿真性能指标
        4.4.3 仿真结果分析
        4.4.4 仿真结论
    4.5 本章小结
第五章 SFCSA架构下的调度算法研究
    5.1 研究现状
    5.2 问题描述与建模
        5.2.1 系统模型
        5.2.2 问题描述
        5.2.3 问题建模
    5.3 算法设计
        5.3.1 FIRM算法
        5.3.2 服务能力定义
        5.3.3 BSC-FIRM算法
        5.3.4 算法分析
    5.4 仿真结果与分析
        5.4.1 仿真环境设置
        5.4.2 仿真性能指标
        5.4.3 仿真结果分析
        5.4.4 仿真结论
    5.5 本章小结
第六章 总结与展望
    6.1 本文工作总结
    6.2 未来工作展望
致谢
参考文献
攻硕期间取得的研究成果

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本文编号：2840893