基于等价多路径的数据中心网络流量优化问题研究

发布时间：2017-09-22 12:47

  本文关键词：基于等价多路径的数据中心网络流量优化问题研究

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【摘要】：云计算快速发展的过程中，作为信息化基础设施的数据中心一直处于核心地位。随着云计算业务的普及和新技术的应用，数据中心正在发生重大的变化，由此给数据中心网络(Data Center Networks，DCN)也带来了新的挑战和问题。新兴的业务需要在虚拟机或服务器之间进行大量的通信，导致数据中心内部流量急剧增长并呈现出不同于互联网流量的新特性。传统数据中心网络技术面对云计算技术带来的变革会发生网络资源分配不充分，导致链路拥塞、丢包增多、时延增大等问题，严重影响了业务的性能和服务质量。 本文主要研究内容包括以下四个方面：概述了数据中心网络拓扑与数据中心网络技术的发展；研究了云计算下的数据中心流量工程与负载均衡技术；针对典型的ECMP（Equal Cost Multi Path）数学模型进行了优化，通过加入流量分配比例参数使其能够进行动态的负载均衡；设计了一种基于端到端链路利用率的启发式流量工程优化策略，并对该优化算法进行了多种流量环境下的仿真实验。主要工作如下： 首先，概述了数据中心网络的相关研究背景和最新进展，对当前的数据中心网络的拓扑架构和网络技术的发展做了较为全面的归纳。 其次，以数据中心网络的新技术特征和流量的新特性为切入点，从数据中心流量工程角度出发，通过研究数据中心的流量工程技术和现有流量工程技术以及算法，结合数据中心网络的流量特点，发现网络性能的约束和流量工程优化的重点在于等价多路径的合理使用。 再次，针对等价多路径技术，，研究了ECMP数学模型并对其进行了优化研究，由于ECMP优化数学模型是NP(Non-deterministic Polynomial)完全问题，为解决这一难题，本文设计了一种基于端到端链路利用率的启发式流量工程优化策略，优化的方法是通过模拟退火算法计算等价路径间的流量分配比例，降低负载过高的等价路径的流量分配比例。 最后，论文利用NS-2仿真平台，实现了本文设计的优化算法。并与传统基于HASH的ECMP算法和理想模型Non-blocking进行了仿真对比，验证了该算法可以较好的提高整网的链路利用率，降低端到端的时延，减少网络丢包。
【关键词】：数据中心网络 云计算 ECMP 流量工程 负载均衡
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP308;TP393.06
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 缩略词8-10
• 1 绪论10-15
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 研究现状11-13
• 1.3 论文研究思路13-14
• 1.4 论文的研究内容和结构安排14-15
• 2 数据中心网络技术的发展15-24
• 2.1 引言15
• 2.2 数据中心网络简介15-17
• 2.3 数据中心网络拓扑分析研究17-20
• 2.3.1 多根树(Multi-root Tree)拓扑结构17-18
• 2.3.2 胖树 (Fat-Tree)拓扑结构18-19
• 2.3.3 折叠式 Clos 拓扑结构19-20
• 2.4 数据中心网络的发展趋势20-22
• 2.4.1 “南北向”流量向“东西向”流量的转变20
• 2.4.2 传统数据中心网络技术存在的问题20-21
• 2.4.3 数据中心网络的新技术标准21-22
• 2.5 本章小结22-24
• 3 数据中心的流量工程技术24-29
• 3.1 引言24
• 3.2 数据中心的流量工程24-25
• 3.3 现有的数据中心流量工程技术25-27
• 3.3.1 传统的 ECMP 负载分担路由算法25
• 3.3.2 Hedera 流量动态规划策略25-26
• 3.3.3 Valiant Load Balancing (VLB) 负载均衡技术26
• 3.3.4 量化拥塞通告 QCN(Quantized Congestion Notification)26-27
• 3.3.5 基于优先级的流控 PFC (Priority-based Flow Control)27
• 3.3.6 基于服务器的路由策略27
• 3.4 本章小结27-29
• 4 等价多路径的数学模型及其优化研究29-40
• 4.1 引言29
• 4.2 ECMP 的数学模型29-31
• 4.3 对 ECMP 数学模型的优化研究31-33
• 4.4 以端到端链路利用率为优化目标的 ECMP 优化方法33-36
• 4.4.1 模拟退火算法简介33-34
• 4.4.2 基于端到端链路利用率的 ECMP 模拟退火算法（SA-ECMP）34-36
• 4.5 基于目的地路由的负载均衡36-39
• 4.6 本章小结39-40
• 5 基于 NS-2 的算法仿真与分析40-57
• 5.1 引言40
• 5.2 试验仿真平台40-42
• 5.2.1 NS-2 仿真软件40-41
• 5.2.2 NS-2 网络仿真方法和过程41-42
• 5.3 等价多路径的 NS-2 实现42-44
• 5.3.1 SA-ECMP 算法模块42-43
• 5.3.2 仿真试验采用的网络拓扑43-44
• 5.4 仿真结果比较分析44-55
• 5.4.1 采用固定码率流量模型下的仿真45-51
• 5.4.2 采用 Pareto 随机码率流量模型下的仿真51-55
• 5.4.3 迭代次数对优化效果的影响55
• 5.5 本章小结55-57
• 6 总结与展望57-59
• 6.1 本文总结57-58
• 6.2 论文研究展望58-59
• 致谢59-60
• 参考文献60-63

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本文编号：900927