面向数据中心光互联的软件定义组网与集成控制研究

发布时间：2018-11-20 11:53

【摘要】：随着云计算服务的快速发展,数据中心作为提供信息存储和信息处理能力的重要载体,是支撑新一代互联网应用的基础设施。激增的用户数和业务量以及纷繁变化的业务模式导致了数据中心规模不断增大,数据中心间信息流不断增长,海量信息进行高效高性能通信处理的需求愈发突出。传统以电交换为核心技术的数据中心网络遇到了带宽容量、能量消耗及传输距离等技术瓶颈。光互联凭借着其超大容量、高带宽和高能效等优势,成为适应大规模数据中心组网需求的关键技术之一。数据中心光互联中存在着资源异质性与技术异构性的特征。针对日益提升的用户数量与高等级用户服务质量需求,数据中心光互联面临着组网与控制的巨大挑战。具体的,数据中心光互联主要有两大组网方式,一种是从资源形态角度,将接入网、核心网与数据中心等异构资源沿水平方向“异构-跨层”组网；另一种则从流量工程出发,将不同交换粒度网络沿垂直方向“多层-承载”互联。进而在组网架构中形成三种应用场景,分别为面向用户接入的用户到数据中心互联、数据中心间光互联以及数据中心内部光互联场景。围绕不同场景,出现了面向数据中心用户接入的远程控制、数据中心间光互联中多层级资源优化以及数据中心内部光互联的时间感知资源调度等组网与控制关键问题。针对上述问题与挑战,本论文以面向数据中心光互联的软件定义组网与集成控制为研究核心,针对垂直“多层-承载”与水平“异构-跨层”的组网方式,围绕数据中心用户接入,基于光电混合组网、WDM光网络和弹性光网络的数据中心间光互联以及数据中心内部光互联若干应用场景展开研究工作,在架构模型、实现机理和控制策略三个方面深入分析,并在数据中心光互联实验与仿真平台上分别进行了性能验证。相关研究工作对数据中心光互联的广泛应用及软件定义组网与控制的实用化具有重要参考意义。主要创新成果如下： (1)在数据中心用户接入场景中,针对接入用户的远程控制问题,围绕用户接入灵活和高等级服务质量需求特点,提出了一种数据中心应用驱动的软件定义光接入网络(SDAON)结构。通过设计该结构的协议与控制机制,利用服务感知的流量调度策略,克服了传统接入网配置僵化与运维低效的难题,完成基于OpenFlow的无源光网络远程统一控制功能,实现不同接入域之间带宽资源的动态调度与按需分配。搭建了OpenFlow使能软件定义光接入网实验与仿真系统,验证了SDAON能够有效提升网络资源利用率,通过统一的控制接口保障每个用户的服务质量,利用远程交互方式降低网络运营成本。 (2)在支持光电混合“多层-承载”的数据中心间光互联场景中,针对电交换网络,光传输网络以及数据中心应用等多层资源调度协同问题,创新性提出了一种基于多个OpenFlow控制器协作的多层资源集成(MSRI)方法,并设计了服务感知的流估计策略及相应的协议扩展和实现方案,突破了多层网络间交互封闭的限制,通过分析先前的流状态与当前网络条件,决定IP分组网络和光网络中哪些资源更适合为新业务请求提供高效服务。实验与仿真结果表明,通过多控制器间的资源信息交换,MSRI方法能有效实现IP网络、光网络和应用层资源的联合优化,增强数据中心对端到端服务要求的快速响应。该成果应邀发表在IEEE期刊Journal of Optical Communications and Networking,对促进多层资源调度的实用化发展具有参考价值。 (3)在基于WDM光网络“异构-跨层”组网的数据中心间光互联场景中,围绕关注网络性能的高等级数据中心服务质量需求,重点研究了针对网络与应用资源的异构资源跨层优化(CSO)问题,提出一种面向跨层优化的OpenFlow使能光网络统一控制体系,利用可软件定义的优势将网络与应用资源统一抽象,通过动态全局负载均衡机制及灾难场景下跨层恢复方法,实现异构资源的跨层优化使用。实验与仿真结果表明,使用该体系能够完成应用与网络资源的联合优化,提高从应用层到网络层双向的快速响应能力,通过优化利用现有的网络与应用资源提升用户的应用体验质量,最终达到光即服务的目标。 (4)在基于弹性光网络“异构-跨层”组网的数据中心间光互联场景中,针对数据中心业务的超波长带宽与高等级端到端服务质量需求,结合软件定义组网机制,创造性提出并实现了一种面向数据中心应用的基于弹性光网络增强型软件定义组网(eSDN)架构,通过采用传送感知的跨层优化策略,实现了应用层和弹性光网络物理层之间的联合,具备对调制格式、带宽等的智能调整能力,设计了利用非连续频谱碎片的多流频谱级联(MFVC)方法及实现模型,完成了业界首个基于弹性光网络的eSDN实验,成果作为Post-deadline论文发表在全球光通信大会OFC2013上。 (5)在数据中心内部光互联场景中,围绕数据中心内部业务高突发性和时间敏感性的特征,针对时间感知的资源调度问题,创新性提出了一种基于OpenFlow数据中心内部的时间感知软件定义组网方法(TaSDN),设计了相关协议扩展和实现方案,在控制器中部署了时间感知的服务调度策略,通过区分时延敏感与时延容忍业务及不同时延需求,实现了考虑时间因素、具有灵活服务带宽和服务时间的数据中心业务调度。实验与仿真结果表明,该方法能够通过考虑时间因素,灵活分配网络与应用资源,实现保证所需服务质量的业务提供,并提升数据中心内部业务快速响应能力。
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【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN929.1

【参考文献】