软件定义网络中面向时延和负载优化的多控制器放置策略研究
发布时间：2021-07-23 15:47
软件定义网络（Software Defined Networks,SDN）将控制逻辑剥离数据层,并单独形成控制层,实现了对网络的灵活管理。然而随着网络规模的增加,单控制器部署方案由于处理能力不足、易过载等缺陷已无法管理整个网络。因此多控制器放置问题被提出,即如何确定控制器的数量、位置以及与交换机间的映射关系。已有研究表明,控制器的数量和位置会影响网络时延、负载等网络性能。本文对软件定义网络中面向时延和负载优化的多控制器放置策略进行研究,研究内容如下:（1）面向时延和负载优化的静态多控制器放置策略:本策略综合考虑网络传播时延、控制器负载以及排队时延对静态多控制器放置问题的影响,建立相应模型并提出负载均衡算法（BCRA）和遗传算法（GA）。负载均衡算法（BCRA）首先确定控制器的数量k,并选择度最大的节点为控制器根节点构建k棵生成树,生成初始k个低时延且负载均衡的子网;遗传算法（GA）先利用贪心思想优化待选控制器集合,再寻找较优的多控制器放置方案。实验表明:与已有工作相比,BCRA与GA在中小规模网络中均具有较好的网络负载均衡性能,在大规模网络中,GA算法在传播时延、排队时延以及负载等方面...
【文章来源】：合肥工业大学安徽省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
SDN架构的全局视图
合肥工业大学专业硕士研究生学位论文6第二章软件定义网络中控制器放置问题研究随着网络规模的日益扩张，用户需求的不断增加，网络设备需要得到快速且实时的更新。然而传统网络中转发设备自主控制与转发高度耦合的缺点，使得网络设备供应商不得不频繁的对每一个转发设备进行操作，同时由于存在多种网络通信标准，极易造成网络设备更新缓慢。这些缺点导致传统网络难以适应网络业务需求的急速发展。软件定义网络，由于其转控分离、网络可编程等特点，能够有效的解决传统网络现存的难题。2006年,美国斯坦福大学NickMcKeown教授的研究团队提出了Openflow的概念[37]，并基于Openflow给网络带来可编程的特性,进一步提出了SDN的概念。2009年,SDN入选麻省理工科技评论的“未来十大突破性技术”。自此,大量高校和企业开始对SDN进行研究。2.1软件定义网络的三层架构SDN架构[38]如图2.1所示。SDN作为一种新型网络架构，有如下特点：1）转发功能和控制功能分离，这改变了传统网络中转发和控制高耦合的现象。2）集中控制。控制层单独存在于控制平面，有利于网络资源池化。3）开放接口。用户可根据自身的网络需求，通过北向接口向控制器添加服务。图2.1SDN层次、功能和系统结构Fig2.1SDNlevel,functionandsystemstructure2.1.1应用层SDN应用层，即SDN管理层，由网络应用程序、编程语言和基于语言虚拟化构成。如上图2.1示，SDN应用层的核心是网络应用程序，其功能是为用户提供网
薷摹?目前，控制层主要有两种部署控制器的方式[45]：集中式部署方式和分布式部署方式。集中式部署方式，是指在SDN网络中部署一个控制器集群。在早期的SDN研究中，该部署方式常常是在网络中放置一个控制器来管理整个网络。目前这种部署方式的控制器主要有：NOX-MT[4],Beacon[5]和Floodlight[6]。但是随着网络规模的扩张，以及将SDN应用于更多的场景，单一控制器的集中式部署方式由于自身容量，处理能力，易故障等原因已经无法管理整个网络。故分布式部署方式被提出。分布式部署方式主要有两种架构，扁平架构和层次架构。如图2.2示，在扁平架构中，每个控制器相互等价，管理着各自控制域内的交换机，每个交换机仅被一个控制器管理。每个控制器可通过东西向接口相互访问通信。这种架构的优点是控制器分布式的散落在转发设备之间，能够有效的降低网络传播时延，当一个控制器发生故障时，并不影响其他控制器正常工作，这提高网络的可靠性和弹性。但是每个控制器之间相互平等，需要相互通信来获取网络全局的信息，这大幅增加了控制器之间的通信成本。层次架构由图2.2示。分为上层控制器、底层控制器和交换机。这种架构的优点是上下层控制器间分工明确，上层控制器主要负责维护控制器间的一致性，这使得控制器间维护一致性的成本相对较低。下层控制器主要负责流量的处理，大幅减轻了上层控制器的负担。但是上层控制器数量较少，这使得网络可靠性和安全性较低。如果上层控制器故障或者被洪泛攻击，那么网络极易陷入瘫痪。目前分布式的控制器有：Onix[46],HyperFlow[47],ONOS[48],DISCO[49],yanc[50],PANE[51]等。图2.2控制器放置方式Fig2.2Themethodofcontrollerplacement无论是扁平架构还是层次架构，相比于集中式的部署方式，均提高了网络的可扩
【参考文献】：
期刊论文
[1]软件定义网络中面向时延和负载的多控制器放置策略[J]. 史久根,谢熠君,孙立,郭胜,刘雅丽. 电子与信息学报. 2019(08)
[2]SDN中基于效能优化的交换机动态迁移策略[J]. 姚蓝,胡涛,伊鹏,胡宇翔,兰巨龙,李子勇. 电子学报. 2019(07)
[3]SDN中基于双向匹配的多控制器动态部署算法[J]. 胡涛,张建辉,孔维功,杨森,曹路佳. 通信学报. 2018(01)
[4]SDN网络中控制器放置问题综述[J]. 高先明,王宝生,邓文平,陶静. 通信学报. 2017(07)
[5]软件定义网络可扩展性研究综述[J]. 付永红,毕军,张克尧,吴建平. 通信学报. 2017(07)
[6]软件与网络安全研究综述[J]. 刘剑,苏璞睿,杨珉,和亮,张源,朱雪阳,林惠民. 软件学报. 2018(01)
[7]SDN网络中受时延和容量限制的多控制器均衡部署[J]. 覃匡宇,黄传河,王才华,史姣丽,吴笛,陈希. 通信学报. 2016(11)
[8]基于Floodlight的SDN控制器研究[J]. 周环,刘慧. 计算机工程与应用. 2016(24)
[9]软件定义网络中北向接口语言综述[J]. 于洋,王之梁,毕军,施新刚,尹霞. 软件学报. 2016(04)
[10]软件定义网络（SDN）研究进展[J]. 张朝昆,崔勇,唐翯翯,吴建平. 软件学报. 2015(01)
硕士论文
[1]软件定义网络中基于时延约束的多控制器负载均衡优化算法研究[D]. 徐皓.合肥工业大学 2019
本文编号：3299579
【文章来源】：合肥工业大学安徽省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
SDN架构的全局视图
合肥工业大学专业硕士研究生学位论文6第二章软件定义网络中控制器放置问题研究随着网络规模的日益扩张，用户需求的不断增加，网络设备需要得到快速且实时的更新。然而传统网络中转发设备自主控制与转发高度耦合的缺点，使得网络设备供应商不得不频繁的对每一个转发设备进行操作，同时由于存在多种网络通信标准，极易造成网络设备更新缓慢。这些缺点导致传统网络难以适应网络业务需求的急速发展。软件定义网络，由于其转控分离、网络可编程等特点，能够有效的解决传统网络现存的难题。2006年,美国斯坦福大学NickMcKeown教授的研究团队提出了Openflow的概念[37]，并基于Openflow给网络带来可编程的特性,进一步提出了SDN的概念。2009年,SDN入选麻省理工科技评论的“未来十大突破性技术”。自此,大量高校和企业开始对SDN进行研究。2.1软件定义网络的三层架构SDN架构[38]如图2.1所示。SDN作为一种新型网络架构，有如下特点：1）转发功能和控制功能分离，这改变了传统网络中转发和控制高耦合的现象。2）集中控制。控制层单独存在于控制平面，有利于网络资源池化。3）开放接口。用户可根据自身的网络需求，通过北向接口向控制器添加服务。图2.1SDN层次、功能和系统结构Fig2.1SDNlevel,functionandsystemstructure2.1.1应用层SDN应用层，即SDN管理层，由网络应用程序、编程语言和基于语言虚拟化构成。如上图2.1示，SDN应用层的核心是网络应用程序，其功能是为用户提供网
薷摹?目前，控制层主要有两种部署控制器的方式[45]：集中式部署方式和分布式部署方式。集中式部署方式，是指在SDN网络中部署一个控制器集群。在早期的SDN研究中，该部署方式常常是在网络中放置一个控制器来管理整个网络。目前这种部署方式的控制器主要有：NOX-MT[4],Beacon[5]和Floodlight[6]。但是随着网络规模的扩张，以及将SDN应用于更多的场景，单一控制器的集中式部署方式由于自身容量，处理能力，易故障等原因已经无法管理整个网络。故分布式部署方式被提出。分布式部署方式主要有两种架构，扁平架构和层次架构。如图2.2示，在扁平架构中，每个控制器相互等价，管理着各自控制域内的交换机，每个交换机仅被一个控制器管理。每个控制器可通过东西向接口相互访问通信。这种架构的优点是控制器分布式的散落在转发设备之间，能够有效的降低网络传播时延，当一个控制器发生故障时，并不影响其他控制器正常工作，这提高网络的可靠性和弹性。但是每个控制器之间相互平等，需要相互通信来获取网络全局的信息，这大幅增加了控制器之间的通信成本。层次架构由图2.2示。分为上层控制器、底层控制器和交换机。这种架构的优点是上下层控制器间分工明确，上层控制器主要负责维护控制器间的一致性，这使得控制器间维护一致性的成本相对较低。下层控制器主要负责流量的处理，大幅减轻了上层控制器的负担。但是上层控制器数量较少，这使得网络可靠性和安全性较低。如果上层控制器故障或者被洪泛攻击，那么网络极易陷入瘫痪。目前分布式的控制器有：Onix[46],HyperFlow[47],ONOS[48],DISCO[49],yanc[50],PANE[51]等。图2.2控制器放置方式Fig2.2Themethodofcontrollerplacement无论是扁平架构还是层次架构，相比于集中式的部署方式，均提高了网络的可扩
【参考文献】：
期刊论文
[1]软件定义网络中面向时延和负载的多控制器放置策略[J]. 史久根,谢熠君,孙立,郭胜,刘雅丽. 电子与信息学报. 2019(08)
[2]SDN中基于效能优化的交换机动态迁移策略[J]. 姚蓝,胡涛,伊鹏,胡宇翔,兰巨龙,李子勇. 电子学报. 2019(07)
[3]SDN中基于双向匹配的多控制器动态部署算法[J]. 胡涛,张建辉,孔维功,杨森,曹路佳. 通信学报. 2018(01)
[4]SDN网络中控制器放置问题综述[J]. 高先明,王宝生,邓文平,陶静. 通信学报. 2017(07)
[5]软件定义网络可扩展性研究综述[J]. 付永红,毕军,张克尧,吴建平. 通信学报. 2017(07)
[6]软件与网络安全研究综述[J]. 刘剑,苏璞睿,杨珉,和亮,张源,朱雪阳,林惠民. 软件学报. 2018(01)
[7]SDN网络中受时延和容量限制的多控制器均衡部署[J]. 覃匡宇,黄传河,王才华,史姣丽,吴笛,陈希. 通信学报. 2016(11)
[8]基于Floodlight的SDN控制器研究[J]. 周环,刘慧. 计算机工程与应用. 2016(24)
[9]软件定义网络中北向接口语言综述[J]. 于洋,王之梁,毕军,施新刚,尹霞. 软件学报. 2016(04)
[10]软件定义网络（SDN）研究进展[J]. 张朝昆,崔勇,唐翯翯,吴建平. 软件学报. 2015(01)
硕士论文
[1]软件定义网络中基于时延约束的多控制器负载均衡优化算法研究[D]. 徐皓.合肥工业大学 2019
本文编号：3299579
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