网络架构演进下的高性能流量管理研究

发布时间：2018-03-01 07:46

本文关键词： 网络管理传统网络软件定义网络数据面可编程网络功能负载均衡流量工程流量调度编程语言　出处：《浙江大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：网络中的节点之间通常存在多条路径,当网络利用率较高的时候可以通过多路径算法来避免网络拥塞的发生。为此,网络管理员通常在网络中部署负载均衡功能将到达的流量负载分配到网络中的多条路径上,进而提高网络的利用率。传统网络下,网络管理员通常使用等价多路径路由技术将每条流随机地分配到一条路径上。但是,由于传统网络将执行多路径路由发现功能的控制平面和执行网络流量转发的数据平面耦合在一块,网络管理员需要手动登录每一台网络设备并通过专门的控制台命令来调整协议的参数以保证网络行为的正常。基于OpenFlow的软件定义网络将控制平面从网络设备中分离并移动到集中式的控制器上,并由控制器通过下发流表的方式控制网络流量的转发行为。网络管理员可以使用控制器提供的全局网络视图,并在控制器上编程实现更灵活的多路径路由如流量工程等,而不需要手动配置每一台网络设备。但是这种基于集中式控制实现的网络功能需要较长的时间才能对网络状态的变化作出响应,导致网络拥塞等事件的发生进而降低网络的利用率。数据平面可编程的软件定义网络允许网络管理员对数据平面进行编程以指定网络设备处理数据包的方式。特别的数据平面可编程的软件定义网络允许执行在数据平面的网络功能接入到有状态的内存寄存器,用来监控网络状态的变化,并在数据平面快速地对网络状态的变化做出响应。但是在实现这样一个数据平面有状态的网络功能并不是一个简单的任务,网络管理员需要仔细地决定如何分配网络功能到分布式的数据平面和集中式控制平面上,以及它们之间的交互方式以保证网络功能的正确执行。网络管理员通常会根据网络规模、面向的用户、提供的服务等因素决定需要采用的网络体系结构(例如校园网采用控制平面和数据平面耦合的传统网络、互联网服务提供商采用控制平面和数据平面分离的软件定义网络、数据中心网络采用数据平面可编程的软件定义网络)和需要部署的网络功能(例如校园网部署负载均衡、互联网服务提供商部署流量工程、数据中心网络部署流量调度和负载均衡)以提高网络的性能和用户的体验。特别是随着云计算的普及越来越多的网络服务部署在数据中心,用户为了接入这些网络服务需要经过不同规模的面向不同用户的网络环境,从校园网到Internet到数据中心网络,导致网络流量需要经过多个异构的网络环境才会完成传输。提高用户体验的关键在于如何提高用户的端到端性能,为此需要保证用户流量经过的每一个网络都能提供高效的网络流量管理功能提高网络资源的利用率同时提高用户的体验。为了提高异构网络环境中的网络流量管理功能的性能,需要分析不同的网络体系结构对于部署的网络功能带来的优势以及存在的挑战,并在分析的基础上有针对性地设计相对应的解决方案。本文的研究目的是提高不同的网络流量管理功能在不同的网络体系结构下的性能,重点研究下面的三个内容:(1)提高传统网络下多路径负载均衡算法的的性能(对应研究成果1);(2)提高基于OpenFlow的软件定义网络(Software Defined Networking,SDN),即SDN-OpenFlow,下流量工程的性能(对应研究成果2);(3)提高SDN-可编程数据面下流量管理的性能(对应研究成果3)。提高传统网络下负载均衡算法的性能:多路径负载均衡技术可以降低突发的网络流量或链路故障对网络造成的影响,减少网络拥塞的发生。但是多路径负载均衡技术需要处理流量分割粒度和数据包乱序之间的冲突:细粒度的流量分割可以提高负载均衡效果但是会造成TCP流乱序;粗粒度的流量分割可以避免TCP(Transmission Control Protocol)流乱序但是会降低负载均衡效果。此外,将多路径负载均衡技术应用于传统的分布式网络,还需要协同运行在每一个节点上的负载均衡算法。为了使得在分布式网络环境下提高负载均衡效果的同时避免对TCP流的性能造成影响,提出了 DDMM算法。DDMM算法利用了 TCP流的突发特性以及路径的传输延时差异将网络流量均衡地分配到多条路径进行传输,同时保证同一个TCP流的数据包有序到达接收端。提高SDN-OpenFlow下流量工程的性能:SDN-OpenFlow简化了流量工程的实现,但是需要解决SDN控制器处理频率和网络拥塞之间存在的冲突:一方面SDN控制器实时地收集网络状态并配置数据平面可以避免网络拥塞的发生,但是可能会使SDN控制器和OpenFlow交换机出现瓶颈;另一方面降低SDN控制器和OpenFlow网络之间的交互频率可能造成突发的网络流量不能及时地被处理,使得网络发生拥塞。为了提高基于SDN的流量工程处理突发的网络流量的速度,提出了 DUCE算法。DUCE算法的核心思路是将处理流量不确定的功能从SDN控制平面剥离并移动到数据平面上。因此DUCE算法可以在数据平面直接处理突发的网络流量而不需要等待SDN控制器的响应并更新配置。DCUE算法利用了 OpenFlow协议的特性在数据平面实现了选择功能:根据网络流量的负载大小选择相对应的路由方案;通过SDN控制器上执行的流量工程算法来指导选择功能的执行避免网络拥塞的发生。提高SDN-可编程数据面下流量管理的性能:数据中心网络的两个主要的特点决定了网络功能实现的复杂度:(1)数据中心网络流量具有突发、不可预测的特点,为了更好的管理这些网络流量需要将网络功能实现在数据平面;(2)数据中心网络规模较大,在数据平面实现网络功能需要处理大规模的分布式网络设备,这涉及到网络功能的分解、网络设备之间的交互等。SDN虽然可以简化网络功能的实现,但是在集中式控制器上实现的网络功能很难适用于数据中心网络;最近提出的数据平面可编程语言虽然简化了数据平面有状态的数据包处理程序的实现,但是需要详细地描述数据包的处理模式,而且还需要处理分布式的网络设备。为了简化面向数据中心的网络功能的实现,提出了 EP2。EP2的核心思路是提供高级的编程模式:为网络功能的描述提供基于预测和原子操作的高级语言;为网络功能的实现提供分布式的运行系统。
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【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP393.0

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