软件定义网络关键技术及相关问题的研究

发布时间：2020-08-23 12:35

【摘要】：随着互联网的广泛普及与发展,当今的网络变得越来越复杂并愈加难以管理,它严重阻碍了网络的创新发展。软件定义网络(Software-Defined Networking, SDN)是一种有望改变现有网络困局的新型网络范例。通过将控制与转发解耦合,并提供逻辑上集中式的控制能力及网络可编程能力,软件定义网络在简化网络管理的同时,极大地促进了网络的创新,并迅速成为近年来学术界工业界关注的焦点。然而作为一项新兴的技术,SDN仍面临着诸多亟待解决的问题。控制与转发分离是SDN技术取得成功的关键所在,然而逻辑上集中式的控制方式却也引入了可扩展性方面的挑战,为此需要对SDN的控制器架构加以设计,以提高控制平面的可扩展性和可用性；采用分布式控制器是解决SDN可扩展性的主要手段,然而如何在网络中部署多个控制器仍然是一个开放的问题；SDN的转发设备完全受控制平面控制,在这种情况下网络故障极易造成控制平面与转发平面间的通信中断,进而会影响SDN网络的正常运行,因此需要设计相应的机制来保证控制流的可容错传输；现有网络中存在大量的传统节点,如何对待SDN与传统网络的共存并如何通过调节SDN节点的转发行为来提高网络的性能也是需要解决的重要问题之一。基于上述软件定义网络中依然存在的问题,本文从软件定义网络的可扩展性、可靠性／容错性以及部署方面出发,对软件定义网络的关键技术及相关问题进行深入研究,取得了以下研究成果：1.提出了BalanceFlow分布式控制器负载均衡架构,以解决控制器与交换机的静态映射关系所带来的控制器负载不均问题。BalanceFlow将控制器分为超级控制器和普通控制器两类。其中,超级控制器能够根据其他普通控制器上的负载情况,通过将交换机在控制器间进行动态迁移来实现控制器的负载均衡。此外,针对现有交换机迁移机制的不足,提出了基于BalanceFlow的改进交换机迁移机制,并进一步提出了高效的负载均衡算法。实验结果表明所提出的方案能够在控制器负载均衡性和交换机迁移次数间做出权衡,并能够减轻由于交换机迁移对交换机和控制器间的传播延时所造成的影响。2.提出了一种可靠性感知的控制器部署策略,旨在通过合理的选择控制器的数量和部署位置来优化SDN控制网络的可靠性。提出了采用控制路径失效百分比的期望值来度量SDN控制网络的可靠性。在此基础上,对可靠性感知的控制器部署问题进行了形式化描述,证明了该问题为NP难问题,并提出了一系列能够求解该问题的算法。实验结果表明所提出方案能够有效地提高SDN控制网络的可靠性,同时并不会对交换机和控制器间的传播延时造成较大的影响。3.为了提高控制器与交换机间通信的容错性,研究了多控制器软件定义网络中的控制流保护技术。提出了一种结合本地重路由保护和受限的逆向路径转发保护的控制流保护方案。在此基础上,提出了可保护控制网络问题,其目标是寻找一系列用于传输控制流的主要传输路径,使得尽可能多的控制流都能够得益于所提出的保护方案。证明了该问题为NP难问题,并设计了求解算法。实验结果表明所提出的方案能够有效地提高软件定义网络中控制流的容错性。4.针对SDN节点与传统节点并存的SDN混合网络的特点,提出了利用控制器逻辑上集中式的控制能力来提高混合网络所能转发的最大流量的流量优化方案。将问题建模为一个优化问题,并提出了求解该问题的完全多项式时间近似算法。实验结果表明SDN混合网络比传统网络性能更优,所提出的算法能够有效地提高网络所能承载的最大流量。
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP393.02
【图文】：

中所有的控制器共同组成了整个网络逻辑上集中的控制平面。每个控制、控制器模块负责维护与交换机的连接。按照功能的不同，ＢａｌａｎｃｅＦｌｏｗ两类，分别是超级控制器和普通控制器。与其他分布式控制器类似，ｃｅＦｌｏｗ普通控制器主耍负责对网络中的部分交换机进行控制，并会对交换消息做出响应。与普通控制器不同，ＢａｌａｎｃｅＦｌｏｗ超级控制器并不会对交换息做出响应，其主要功能是负责对普通控制器上的负载进行均衡。当超测到控制器负载不均时，它会运行负载均衡算法，并对交换机在控制器程进行编排。需要指出的是，尽管超级控制器并不直接参与对网络中交，然而在交换机迁移的过程中，超级控制器仍需要与交换机进行必要的化迁移的顺利进行（节３．３．２．２）。通常情况下，每个交换机只需与一个控制接。然而为了负载均衡的目的，ＢａｌａｎｃｅＦｌｏｗ网络中的交换机会至少同时与保持连接状态。通过控剌器间的协作，控制平面会为每个交换机指派一器作为该交换机的Ｍａｓｔｅｒ控制器，而将连接的其他普通控制器设置为该ｌａｖｅ控制器。与普通控制器不同，超级控制器将始终作为交换机的Ｅｑｕａｌ控

学博±学位论文（ＭｉｎＬｏａｄ）和双随机负载均衡算法（ＤｏｕｂｌｅＲａｎｄｏｍ）邋Ｉ１ＭＩ进行对前负载算法首先将交换机按照其平均建流请求速率进行降序排列，次序靠前的交换机，并将其迂移至当前平均利用率最低的控制器均衡算法在选择迁移交换机和目的控制器时均采用随机的选择方式’逦＇逡逑

学博±学位论文（ＭｉｎＬｏａｄ）和双随机负载均衡算法（ＤｏｕｂｌｅＲａｎｄｏｍ）邋Ｉ１ＭＩ进行对前负载算法首先将交换机按照其平均建流请求速率进行降序排列，次序靠前的交换机，并将其迂移至当前平均利用率最低的控制器均衡算法在选择迁移交换机和目的控制器时均采用随机的选择方式’逦＇逡逑

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 徐军;刘长征;;交换机配置教学演示实验设计[J];计算机与网络;2009年01期

2 叶敏;程控交换机控制系统结构及其可靠性比较[J];电信科学;1992年03期

3 吴军锋,朱敏,巩建铭;浅析油田交换机的计费异常问题[J];通信世界;2001年18期

4 顾建新,秦韵;H20-20全自动内、外线测量台设计[J];无线电工程;1997年03期

5 李行长;一种模块化扩容程控交换机控制方案[J];电脑;1994年01期

6 狄发成;水利工程专网交换机的运行维护及保养[J];甘肃水利水电技术;2002年02期

7 丁军毅;节点交换机的工作原理及实现方法[J];无线电通信技术;1993年02期

8 张国宏;IP交换与标记交换[J];电信网技术;1998年04期

9 王隆杰;;虚拟网络交换机技术[J];通信技术;2009年04期

10 韩春刚;张学敏;;ATM交换机控制管理系统软件的设计[J];无线电通信技术;2001年06期

相关会议论文 前1条

1 吴江东;曹明翠;李源;罗志祥;;大容量光ATM交换机控制系统的研究[A];湖北省激光学会论文集[C];2000年

相关重要报纸文章 前3条

1 邱晓理;借交换机部署内网安全[N];计算机世界;2006年

2 ;软交换机促成IP语音服务[N];网络世界;2001年

3 《网络世界》评测实验室 潘永花;融合之美 尽在“墙”中[N];网络世界;2003年

相关博士学位论文 前2条

1 胡延楠;软件定义网络关键技术及相关问题的研究[D];北京邮电大学;2015年

2 可向民;IP虚拟交换机实现技术的研究[D];国防科学技术大学;2002年

相关硕士学位论文 前10条

1 郭海涛;全千兆以太网交换机的设计和实现[D];西安电子科技大学;2006年

2 易克非;大容量交换机无感热备份技术的研究与实现[D];电子科技大学;2012年

3 高健;量子交换机关键技术研究及实现[D];西安电子科技大学;2009年

4 杨胜姚;现代通信交换机实验系统的研究[D];北京化工大学;2010年

5 覃攸;安全接入交换机中间件的研究与实现[D];华南理工大学;2013年

6 张秋月;量子交换机关键技术研究与实现[D];西安电子科技大学;2008年

7 席在杰;光交换机控制器高速接口研究及软硬件实现[D];电子科技大学;2006年

8 蔡兵;大容量ATM交换机控制策略及其性能仿真研究[D];西安电子科技大学;2008年

9 金超;基于以太网的虚拟交换机研究[D];西南交通大学;2013年

10 刘冰;中低端交换机的应用配置设计与分析[D];吉林大学;2008年

本文编号：2801534