应用驱动的软定义光互连数据中心控制机制研究
发布时间：2020-08-15 14:17
【摘要】：随着云计算、大数据业务的不断发展,数据量不断激增,通信模式和流量特征不断多样化,传统以电交换技术为基础的数据中心内网络面临多方面性能挑战。而光交换因其网络拓扑和资源调度等方面天然的灵活性,逐渐成为数据中心网络最有前景的替代技术。因而,如何发挥光交换本身的优势支持数据中心新业务,特别是利用SDN技术对网络资源进行统一高效调度,成为光网络领域的研究热点。本论文重点分析了数据中心内业务的特有需求,针对一种兼具波长和子波长层灵活性的OpenScale光交换网络,基于SDN设计了数据中心光互联网络的资源管控机制。具体而言,面向数据中心中运行比例最大的分布式计算应用所抽象出的具有关联调度需求的Coflow流,设计和开发了相应的SDN控制机制以支持对Coflow的网络资源分配和调度。以最小化Coflow平均完成时间为目标,在路由、优先级和带宽分配等方面进行控制与调度,通过实验平台的搭建和实验验证,证明了所提出和开发的SDN控制机制,能够有效适配Coflow调度策略,增强光互联网络承载能力的同时,大幅度提高业务性能。另外,本论文对于广域网络,面向其安全性的需求,设计和开发了一个SD-WAN控制器。该控制器根据用户在公用网络中建立专用网络的需求,能够运行一个完整的overlay VPN解决方案,包括隧道的创建、VPN策略的下发,最终实现site-to-site的二层互通,实验结果验证了该控制器的有效性。
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP308
【图文】：
殊环境做出改变，是以这些应用在运行时产生的大量网络流量给数据中心的网络带来逡逑了巨大的挑战。针对这个现象美国加州伯克利大学的论文中提出了邋Ｃｏｆｌｏｗ［１１Ｉ的概念逡逑（一组多连接流的集合，如图１－２所示），以一个整体去调度一组上下文相关的网络逡逑流，这一组流往往具有一个共同的执行目标，例如共同的完成时间（ｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎ逡逑ｄｅａｄｌｉｎｅ邋）0逡逑针对这个概念目前主要有集中式的调度（如ＶａｒｙＳ［１２ｌ）和分布式调度（如ＢａｒａａｔｆＭ）逡逑两种模式，但是目前前者的调度方式大多基于静态配置，无法适应公有云以及集群运逡逑算资源共享的环境。而目前分布式的调度方式往往需要大量修改交换机，这使得其部逡逑署到实际生产环境中的可能性大幅下降。考虑到ＳＤＮ在集中控制这一块具有的优势：逡逑ＳＤＮ能将网络的数据平面和控制平面分离，将对网络设备的配置从普通节点剥离出逡逑来，由专门的控制节点进行集中式的控制，为网络的转发和处理系统提供了开放式的逡逑架构可供编程应用（如虚拟网络覆盖、网络分片、路经计算、安全认证、流量工程等），逡逑４逡逑
以及光分插复用，从而支持机架间的直接波长连接和细粒度的全光子波长交换逡逑｜１７］。从图２－１中也可以看出，一个ＯＢＳ环中的６个架顶交换机可以实现逻辑上逡逑的全连接。逡逑ｉ逦丨凝；逡逑丨邋＿ｌ邋ｆ邋＃邋．．Ｓｉ逡逑图２－１邋ＯｐｅｎＳｃａｌｅ网络架构图及其实现小世界拓扑的原理图Ｉ１５】逡逑从图２－１中可以看出，ＯＢＳ环网中的每个节点同时属于三个环，相应的，当逡逑有需要扩展网络规模的时候，只需要在相应的网格边缘添加几个架顶交换机构成逡逑新的ＯＢＳ环即可，至此可以看出这样的网络架构是易于扩展的。同时，环中的逡逑任意一个节点都可以通过光突发交换和该节点所处的三个环上的其余１２个相邻逡逑节点进行通信。当然，如果两个节点距离很远（无法利用光突发交换到达），为逡逑了实现这样两个节点之间的通信，可以直接使用波长连接，如果这两个节点之间逡逑不存在波长连接，那么也可以先采用光突发交换到可以使用波长连接的节点上做逡逑转发，这也体现了小世界网络的优点：随着网络规模的增大，可以使用波长连接逡逑降低路径长度。逡逑ＯｐｅｎＳｃａｌｅ网络架构是一种扁平化的、用于机架间通信的网络结构
上一小节我们阐述了，每一个节点同时属于三个ＯＢＳ环，为了分析节点结逡逑构，我们给出了一个最简单同时也最具有代表性的三个环的ＯｐｅｎＳｃａｌｅ网络结构，逡逑如图２－２邋（ａ）所示，为了便于接下来的分析，我们将其编号为：①－③。如图２－２逡逑（ｂ）所示，每个架顶交换机都由三对输入输出端口构成，每一对端口对应…个逡逑ＯＢＳ环。对于每条进入ＴｏＲ节点的光纤，波长选择开关（ＷＳＳ邋，逡逑Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ－Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ邋Ｓｗｉｔｃｈ）都会将波长通道分为两大部分，一部分光信号会被逡逑解复用到光突发交换部分，而另一部分会被解复用到波长交换部分。逡逑｜邋Ｉｎ－ｐｏｒｔ邋１逦ｊ邋ｌｎ－ｐｏｒｔ邋２逦｜邋Ｉｎ－ｐｏｒｔ邋３逡逑＇逦／逦／邋概邋＼逦／＂邋ｗｓｓ邋＼逦／邋ｗｓｓ邋＼、逦＂＼逦［逡逑①逦「—／ｃｆｖ＾ｒｉｒｒｚ邋ｒｆ－＇ｖｖｒ—￣邋－邋－邋－邋－逦Ｖ逡逑＝邋Ａ逡逑，ｒｙｓ｛邋ｆｔｙ，逦ｈ邋Ｆａｂｒｉｃ邋ｑ邋Ｓ逦／邋Ｖ邋Ａｄｄ／逡逑＾逦＾邋Ｉ逦Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ邋Ｄｒ0ｐ逡逑ｍｕｘ邋，逦ｍｕｘ邋／／逦＼邋ＭＵＸ邋，■邋Ｍｏｄｕｌｅ９逡逑Ｔ逦Ｌ—Ｆ逦＝Ｆ＾——＝＝？—邋逦逡逑Ｏｕｔ－ｐｏｒｔ邋２逦Ｏｕｔ－ｐｏｒｔ邋２逦Ｏｕｔ－ｐｏｒｔ邋３逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑图２－２邋ＯｐｅｎＳｃａｌｅ节点结构图１１５１逡逑每一个环内的节点都有一个光突发交换收发模块（ＯＢＳ模块）。ＯＢＳ模块以逡逑“广播／选择”的模式进行工作
本文编号：2794223
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP308
【图文】：
殊环境做出改变，是以这些应用在运行时产生的大量网络流量给数据中心的网络带来逡逑了巨大的挑战。针对这个现象美国加州伯克利大学的论文中提出了邋Ｃｏｆｌｏｗ［１１Ｉ的概念逡逑（一组多连接流的集合，如图１－２所示），以一个整体去调度一组上下文相关的网络逡逑流，这一组流往往具有一个共同的执行目标，例如共同的完成时间（ｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎ逡逑ｄｅａｄｌｉｎｅ邋）0逡逑针对这个概念目前主要有集中式的调度（如ＶａｒｙＳ［１２ｌ）和分布式调度（如ＢａｒａａｔｆＭ）逡逑两种模式，但是目前前者的调度方式大多基于静态配置，无法适应公有云以及集群运逡逑算资源共享的环境。而目前分布式的调度方式往往需要大量修改交换机，这使得其部逡逑署到实际生产环境中的可能性大幅下降。考虑到ＳＤＮ在集中控制这一块具有的优势：逡逑ＳＤＮ能将网络的数据平面和控制平面分离，将对网络设备的配置从普通节点剥离出逡逑来，由专门的控制节点进行集中式的控制，为网络的转发和处理系统提供了开放式的逡逑架构可供编程应用（如虚拟网络覆盖、网络分片、路经计算、安全认证、流量工程等），逡逑４逡逑
以及光分插复用，从而支持机架间的直接波长连接和细粒度的全光子波长交换逡逑｜１７］。从图２－１中也可以看出，一个ＯＢＳ环中的６个架顶交换机可以实现逻辑上逡逑的全连接。逡逑ｉ逦丨凝；逡逑丨邋＿ｌ邋ｆ邋＃邋．．Ｓｉ逡逑图２－１邋ＯｐｅｎＳｃａｌｅ网络架构图及其实现小世界拓扑的原理图Ｉ１５】逡逑从图２－１中可以看出，ＯＢＳ环网中的每个节点同时属于三个环，相应的，当逡逑有需要扩展网络规模的时候，只需要在相应的网格边缘添加几个架顶交换机构成逡逑新的ＯＢＳ环即可，至此可以看出这样的网络架构是易于扩展的。同时，环中的逡逑任意一个节点都可以通过光突发交换和该节点所处的三个环上的其余１２个相邻逡逑节点进行通信。当然，如果两个节点距离很远（无法利用光突发交换到达），为逡逑了实现这样两个节点之间的通信，可以直接使用波长连接，如果这两个节点之间逡逑不存在波长连接，那么也可以先采用光突发交换到可以使用波长连接的节点上做逡逑转发，这也体现了小世界网络的优点：随着网络规模的增大，可以使用波长连接逡逑降低路径长度。逡逑ＯｐｅｎＳｃａｌｅ网络架构是一种扁平化的、用于机架间通信的网络结构
上一小节我们阐述了，每一个节点同时属于三个ＯＢＳ环，为了分析节点结逡逑构，我们给出了一个最简单同时也最具有代表性的三个环的ＯｐｅｎＳｃａｌｅ网络结构，逡逑如图２－２邋（ａ）所示，为了便于接下来的分析，我们将其编号为：①－③。如图２－２逡逑（ｂ）所示，每个架顶交换机都由三对输入输出端口构成，每一对端口对应…个逡逑ＯＢＳ环。对于每条进入ＴｏＲ节点的光纤，波长选择开关（ＷＳＳ邋，逡逑Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ－Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ邋Ｓｗｉｔｃｈ）都会将波长通道分为两大部分，一部分光信号会被逡逑解复用到光突发交换部分，而另一部分会被解复用到波长交换部分。逡逑｜邋Ｉｎ－ｐｏｒｔ邋１逦ｊ邋ｌｎ－ｐｏｒｔ邋２逦｜邋Ｉｎ－ｐｏｒｔ邋３逡逑＇逦／逦／邋概邋＼逦／＂邋ｗｓｓ邋＼逦／邋ｗｓｓ邋＼、逦＂＼逦［逡逑①逦「—／ｃｆｖ＾ｒｉｒｒｚ邋ｒｆ－＇ｖｖｒ—￣邋－邋－邋－邋－逦Ｖ逡逑＝邋Ａ逡逑，ｒｙｓ｛邋ｆｔｙ，逦ｈ邋Ｆａｂｒｉｃ邋ｑ邋Ｓ逦／邋Ｖ邋Ａｄｄ／逡逑＾逦＾邋Ｉ逦Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ邋Ｄｒ0ｐ逡逑ｍｕｘ邋，逦ｍｕｘ邋／／逦＼邋ＭＵＸ邋，■邋Ｍｏｄｕｌｅ９逡逑Ｔ逦Ｌ—Ｆ逦＝Ｆ＾——＝＝？—邋逦逡逑Ｏｕｔ－ｐｏｒｔ邋２逦Ｏｕｔ－ｐｏｒｔ邋２逦Ｏｕｔ－ｐｏｒｔ邋３逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑图２－２邋ＯｐｅｎＳｃａｌｅ节点结构图１１５１逡逑每一个环内的节点都有一个光突发交换收发模块（ＯＢＳ模块）。ＯＢＳ模块以逡逑“广播／选择”的模式进行工作
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 余晓杉;王琨;顾华玺;王曦;;云计算数据中心光互连网络:研究现状与趋势[J];计算机学报;2015年10期
相关博士学位论文 前1条
1 杨辉;面向数据中心光互联的软件定义组网与集成控制研究[D];北京邮电大学;2014年
相关硕士学位论文 前3条
1 刘萌萌;基于SDN的全网路由虚拟化组件的研究与实现[D];北京邮电大学;2015年
2 张迦淇;数据中心光交换网络性能分析[D];北京邮电大学;2015年
3 王靖;弹性光网络中的高效选路和频谱分配算法[D];西安电子科技大学;2013年
本文编号：2794223
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