基于SDN与ICN的卫星网络路由与缓存策略研究

发布时间：2020-06-12 01:11

【摘要】：随着空间通信研究的不断深入,天地一体化网络在军事、气象和应急救援等领域的应用需求不断扩大,而新业务的不断出现使得网络管理变得越来越复杂。同时随着用户行为和工业数据的升级,视频等大数据成为网络传输的主体对象并且成爆炸式增长,在以IP为协议栈细腰的网络模式下,这种端到端的传输方式成为网络请求响应延时的瓶颈。基于传统TCP/IP的天地一体化网络面对大数据,新业务环境的挑战需要借助新的网络架构思想来应对。因此,本文针对上述问题展开了基于SDN与ICN技术的卫星网络架构设计及路由算法和缓存替换策略等相关技术的研究。本文通过引入软件定义网络(SDN)和信息中心网络(ICN)两种新型网络架构思想,提出了基于SDN与ICN技术的卫星网络架构——SDICSN。其中三颗高轨卫星作为SDN控制器,低轨通过铱星、Walker星座等作为SDN转发层。而SDN控制器通过应用层开发实现ICN中名字解析、名字路由和内容缓存等关键技术。为了使SDICSN架构兼容现有网络基础设施,本文通过复用IP协议的方式,使OpenFlow协议能够识别出ICN请求和IP请求。仿真结果表明了SDICSN架构能较好的实现ICN的缓存特性。SDICSN架构中ICN请求与数据传输不再依赖于IP地址,因此基于IP地址的路由算法不再适用。而ICN中试图以原路径返回的思想由于卫星节点的高动态性也不再适用于卫星网络中ICN数据的返回。因此本文在所提出的SDICSN架构下,通过SDN控制器拓扑计算和依赖于星座特点的虚拟节点拓扑策略提出了基于虚拟节点矩阵的路由算法——VNMR。该算法根据卫星星座定义了虚拟节点的划分规则,从而得到路由矩阵。根据星节点通信带宽、节点负载、卫星节点间的链路长度和信号的传输速度等参数定义虚拟节点的负载率和路由矩阵的链路权重。进而根据路由矩阵通过最短路径算法得到ICN请求和数据返回的传输路径。缓存替换策略设计是ICN思想的核心部分。SDICSN架构下,由于卫星网络拓扑的高动态性,卫星节点计算资源和缓存空间的有限性,传统的缓存替换策略会造成网内缓存冗余大、节点直接命中率低和缓存替换率高等问题。同时,大数据环境下,内容传播特征是基于用户驱动的模式,因此本文结合卫星网络的高动态性和缓存资源的有限性等特点,提出了一种基于用户驱动的流行度感知模型的缓存替换策略——UDPAM。通过引入用户行为,用户社交网络及内容本身等级等因素来建立内容早期传播的流行度感知模型,从而通过用户行为模型预测内容的流行情况,进而执行缓存替换策略。仿真结果表明,相比于LCE与LRU等缓存替换策略,UDPAM缓存替换策略在卫星网络中具有较高的缓存直接命中率和较低的缓存替换率。
【学位授予单位】：大连大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN927.2

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本文编号：2708771