可重构基础网络多态路由关键技术研究

发布时间：2017-08-21 07:29

  本文关键词：可重构基础网络多态路由关键技术研究

  更多相关文章： 多态路由 多态派生 可重构基础网络 功能组合 映射解析系统 马尔科夫决策 服务路径 粒子群优化

【摘要】：随着以云计算、物联网、大数据为代表的新一代信息技术的不断发展,互联网已经渗透到人类生产生活、经济社会的方方面面。“互联网+各行各业”将互联网的创新成果深度融合于经济社会各领域之中,形成更广泛的以互联网为基础设施和实现工具的经济发展新常态。然而,当今互联网IP地址的语义过载和薄弱的服务定制能力制约着“互联网+”的进一步发展,使得业务需求与网络基础能力之间的差距愈发显著。因此,如何快速、灵活和高效地提供多样化的网络服务成为未来网络研究中的热点和难点。传统网络路由系统以其简单健壮的特性很好地完成网络互连和数据传递任务,但面对多样化的服务需求,结构固定和功能单一的传统路由系统显得力不从心。目前,路由系统主要面临两个方面的挑战：首先,如何适应不断增大的网络规模,提高路由系统的可扩展性；其次,如何在千变万化的业务特性和千差万别的服务质量需求下提高路由系统的服务能力。在这一背景之下,本文对可重构基础网络中多态路由关键技术进行了分析和研究,试图在增强网络的互联传输能力方面探索一条行之有效的技术路径。论文针对如何提高路由的可扩展性和多样化服务能力方面的问题,基于身份与位置分离架构和功能分解组合的思想,提出了可重构基础网络的多态路由模型,并在此基础之上,研究了多态路由模型的身份与位置映射解析系统、节点内的多态派生方法和节点间的服务路径选择方法。基于研究成果,依托于《可重构信息通信基础网络体系》研制需求,构建了一种能够支持多种网络体系和路由协议共存的多态路由原型系统。概括起来,论文的主要研究成果有以下几点：1.提出了一种可重构基础网络中的多态路由模型。该模型在身份与位置分离的基础之上,基于功能分解与组合的思想,将传统路由协议和网络服务分解为基本功能单元,称为路由元能力,通过对不同路由元能力实例的动态组合实现个性化定制路由机制的派生。多态路由模型核心包含三部分,一是路由服务描述,用统一的数学形式刻画业务的路由服务需求；二是基态路由,是路由元能力实例的集合；三是多态派生,是实现基态路由到多态路由关键。通过路由结构的自组织和路由功能的自调节,多态路由模型能够实现路由和业务之间的自匹配以及为多样化的业务提供多样化的路由服务。实例研究和仿真结果表明,多态路由模型下的内容传输、服务迁移和移动性支持相比于传统网络具有一定的优势。2.针对当前映射解析系统存在的可扩展性和映射解析时延过高的问题,提出了一种基于位置感知DHT的分层映射解析系统(LMChord, Locality-Aware Multi-Level Chord)。该系统采用分层嵌入的结构,基本思想是将映射表项存储于本地DHT域中,在本地DHT域之上构建高层的DHT域作为本地DHT域之间沟通联系的桥梁,实现“分而治之”。针对传统DHT机制存在的物理和逻辑拓扑不一致问题,提出一种位置感知DHT构建算法,该算法将位置感知DHT的构建过程建模为马尔科夫决策过程,并提出了求解该过程的马尔科夫决策构建算法,用于构建LMChord系统中的DHT域。仿真实验结果表明,LMChord能够显著降低映射解析时延和提升路由性能,相比于其它映射解析系统,平均映射解析时延和平均一跳时延分别至少降低了7.97%和13.54%。3.针对节点内多态路由协议的派生问题,提出了一种基于马尔科夫近似的多态派生算法(PDMA, Polymorphic Derivation based on Markov Approximation)。论文将多约束条件下的多态派生问题建模为一个多维多选择的背包问题。为了更好地求解该组合优化问题,通过log-sum-exp函数将该问题近似为一个马尔科夫近似问题,该问题的最优解为一类时间可逆马尔科夫链的静态分布,马尔科夫链的状态为路由元能力实例组合链,静态分布为该组合链所运行的时间比例,通过设计分布式算法实现此类马尔科夫链的状态转移即是根据网络状态动态重构多态路由协议实例,达到网络效用的近似最优。实验结果表明,该算法能有效派生多态路由协议和提升网络整体效用,与遗传算法相比,在组合成功率相当的情况下,该算法的运行时间降低了20%以上,网络效用至少提升了5%以上。4.针对多态路由模型数据平面节点间可能存在多条满足业务需求的服务路径问题,提出了一种基于粒子群优化的多目标多约束最优服务路径选择算法(MOPSO, Multiple-Objective Optimal Service Path Selection Algorithm)。针对服务路径选择问题,给出了服务路径优劣的评价指标。基于这些评价指标,将多目标多约束的最优服务路径选择问题建模为粒子群优化模型,利用粒子群优化的并行搜索特性提高最优服务路径的搜索速度,并设计了一种适合于求解该模型的粒子群优化算法。实例验证和仿真结果都表明,MOPSO算法无论问题和种群规模大小都能获得近似最优解。与遗传算法相比,在获得相同最优解的情况下,该算法具有较小的振荡和迭代次数。5.设计和实现了一种能够支持多种网络体系和路由协议共存的多态路由原型系统。该系统基于NetFPGA开放可编程硬件平台,以OpenVZ虚拟化技术和Quagga路由可编程控制平台为核心,实现了一种面向多样业务支持多种网络体系结构共存的路由解决方案。在控制平面,首先利用OpenVZ虚拟出多个虚拟容器,然后采用Quagga路由控制软件在不同虚拟容器实现不同路由协议。在数据平面,采用可编程NetFPGA10G平台来实现数据报文的灵活自定义高效查表转发。并通过真实网络环境下的测试,验证了多态路由原型系统功能和性能。
【关键词】：多态路由 多态派生 可重构基础网络 功能组合 映射解析系统 马尔科夫决策 服务路径 粒子群优化
【学位授予单位】：解放军信息工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP393.02
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-15
• 缩略语15-17
• 第一章 绪论17-31
• 1.1 论文研究背景17-26
• 1.1.1 当前互联网及路由系统所面临的问题18-20
• 1.1.2 未来网络的发展需求及研究趋势20-23
• 1.1.3 未来网络和路由技术研究现状23-25
• 1.1.4 论文所关注的可重构基础网络及多态路由关键技术25-26
• 1.2 论文研究的目标及关键问题26-28
• 1.2.1 论文研究的目标26-27
• 1.2.2 论文研究的关键问题27-28
• 1.3 论文的组织结构及内容概览28-29
• 1.4 论文的创新和主要贡献29-30
• 1.5 本章小结30-31
• 第二章 基于功能分解与组合的多态路由模型31-43
• 2.1 引言31
• 2.2 相关工作31-33
• 2.3 多态路由建模33-37
• 2.3.1 路由服务描述34-35
• 2.3.2 基态路由35
• 2.3.3 多态派生35-37
• 2.4 多态路由实例研究37-42
• 2.4.1 内容传输性能38-40
• 2.4.2 服务迁移性能40-41
• 2.4.3 移动性支持性能41-42
• 2.5 本章小结42-43
• 第三章 多态路由模型的身份位置映射解析系统43-61
• 3.1 引言43-44
• 3.2 背景和动机44-46
• 3.2.1 映射解析需求44
• 3.2.2 相关工作44-46
• 3.3 基于位置感知DHT的分层映射解析系统架构46-50
• 3.3.1 系统框架46-48
• 3.3.2 映射解析机制48-50
• 3.4 基于MDP的映射解析系统构建50-55
• 3.4.1 问题分析50-51
• 3.4.2 模型构建51-54
• 3.4.3 构建算法54-55
• 3.5 性能仿真与分析55-60
• 3.5.1 实验环境55-56
• 3.5.2 平均映射解析时延56-57
• 3.5.3 平均一跳时延57-58
• 3.5.4 时延累积分布58-59
• 3.5.5 平均跳数59
• 3.5.6 讨论59-60
• 3.6 本章小结60-61
• 第四章 多态路由模型节点内的多态派生算法61-73
• 4.1 引言61-62
• 4.2 相关工作62-63
• 4.3 多态派生模型与算法63-68
• 4.3.1 问题分析63-64
• 4.3.2 模型构建64-65
• 4.3.3 基于马尔科夫近似的多态派生算法65-68
• 4.4 性能仿真与分析68-72
• 4.4.1 实验设计68-69
• 4.4.2 度量指标69
• 4.4.3 实验结果69-72
• 4.5 本章小结72-73
• 第五章 多态路由模型节点间的最优服务路径选择算法73-89
• 5.1 引言73
• 5.2 相关工作73-74
• 5.3 问题分析和描述74-78
• 5.3.1 问题分析75-76
• 5.3.2 问题描述76-78
• 5.4 最优服务路径选择模型与算法78-83
• 5.4.1 粒子群优化概述78-79
• 5.4.2 基于粒子群优化的服务路径选择模型79-82
• 5.4.3 基于粒子群优化的服务路径选择算法82-83
• 5.5 实例验证与性能仿真83-87
• 5.5.1 实例验证83-84
• 5.5.2 性能仿真84-87
• 5.6 本章小结87-89
• 第六章 多态路由原型系统设计与实现89-99
• 6.1 引言89
• 6.2 相关工作89-90
• 6.3 多态路由原型系统设计方案90-93
• 6.3.1 系统设计目标90-91
• 6.3.2 系统总体设计91-92
• 6.3.3 控制平面设计92-93
• 6.3.4 数据平面设计93
• 6.4 多态路由系统原型实现93-95
• 6.5 测试与验证95-98
• 6.5.1 测试场景95
• 6.5.2 功能测试95-97
• 6.5.3 性能测试97-98
• 6.6 本章小结98-99
• 第七章 总结与展望99-103
• 7.1 研究工作总结99-100
• 7.2 未来研究工作展望100-103
• 致谢103-105
• 参考文献105-117
• 作者简历117-118

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 兰巨龙;程东年;胡宇翔;;可重构信息通信基础网络体系研究[J];通信学报;2014年01期

2 张泰;王晟;廖丹;;LISP协议下基于指针Chord的增强型映射系统设计(英文)[J];中国通信;2013年07期

3 沈苏彬,顾冠群;网络体系结构与网络难题的解决方案[J];东南大学学报;1999年05期

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本文编号：711605