軟件定義網(wǎng)絡(luò)中的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則配置和流調(diào)度研究.pdf

1、傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)之初基于高可靠性的考慮，采用了控制面和數(shù)據(jù)面緊耦合、全分布式的架構(gòu)設(shè)計(jì)。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大、應(yīng)用場(chǎng)景的復(fù)雜化，以及業(yè)務(wù)類型的不斷豐富，這樣的設(shè)計(jì)如今在全局業(yè)務(wù)優(yōu)化管理、功能定制、新協(xié)議部署等方面存在嚴(yán)重不足，制約了網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新。面對(duì)這些問(wèn)題，最近興起的軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（Software-defined Networking，SDN）采用將網(wǎng)絡(luò)控制面從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備中分離，并匯聚到邏輯中心控制器、構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；借助網(wǎng)

2、絡(luò)操作系統(tǒng)開(kāi)放的編程接口，管理者可以通過(guò)編寫(xiě)應(yīng)用軟件的方式，按需、靈活地定義網(wǎng)絡(luò)。這些優(yōu)點(diǎn)使SDN受到了廣泛關(guān)注，并在企業(yè)網(wǎng)、廣域網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心等場(chǎng)景部署應(yīng)用。
　　作為新興技術(shù)，SDN在應(yīng)用中還存在問(wèn)題。在實(shí)施轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則配置和流調(diào)度上，目前的SDN面臨三類顯著問(wèn)題，即：1)當(dāng)前高速OpenFlow設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則物理存儲(chǔ)空間受限，制約SDN的使用；2)在SDN控制器進(jìn)行全網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則重配置過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)可能出現(xiàn)語(yǔ)義不一致和暫態(tài)鏈路擁塞；3)

3、數(shù)據(jù)中心需要結(jié)合應(yīng)用特點(diǎn)調(diào)度流，但簡(jiǎn)單的集中式調(diào)度控制器會(huì)成為性能瓶頸。本文以這三類問(wèn)題為關(guān)注點(diǎn)展開(kāi)具體研究，主要包含以下三部分工作。
　　1.OpenFlow轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備流表的高效聚合與增量更新
　　針對(duì)目前高速SDN/OpenFlow設(shè)備流表空間受限，制約SDN使用的問(wèn)題，本文根據(jù)流表規(guī)則內(nèi)在特點(diǎn)，設(shè)計(jì)高效的規(guī)則快照式聚合方法FFTA，和對(duì)應(yīng)的增量更新合并方法iFFTA。給定一組轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，F(xiàn)FTA能夠分析它們包含的冗余信息，

4、高效地將其聚合為更少的條目，減少轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則對(duì)設(shè)備TCAM硬件容量的需求；當(dāng)原始的規(guī)則發(fā)生更改時(shí)，iFFTA能夠根據(jù)已聚合規(guī)則的結(jié)構(gòu)信息，迅速將增量更新內(nèi)容合并到已聚合的流表中，保證轉(zhuǎn)發(fā)語(yǔ)義正確。這樣的規(guī)則聚合方案不會(huì)更改轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則表的語(yǔ)義，無(wú)需修改OpenFlow協(xié)議，能夠直接在控制器上實(shí)現(xiàn)。測(cè)試結(jié)果表明，本文方案設(shè)計(jì)的算法比現(xiàn)有同類算法聚合效果更好，運(yùn)算速度更快，能夠有效緩解高速設(shè)備所面臨的物理流表空間不足的問(wèn)題。
　　2.網(wǎng)絡(luò)更新

5、中轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則的一致性保障和鏈路擁塞的避免
　　針對(duì)控制器對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)則更新過(guò)程中，不同設(shè)備新規(guī)則生效時(shí)間不可控可能導(dǎo)致規(guī)則混用，引發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)故障的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了通用的兩階段更新機(jī)制。該機(jī)制沿用了讓數(shù)據(jù)包攜帶版本號(hào)避免規(guī)則混用的思路，在實(shí)現(xiàn)上借助轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則的通配能力，避免規(guī)則產(chǎn)生冗余復(fù)制，規(guī)范了更新過(guò)程，使網(wǎng)絡(luò)支持多更新并發(fā)執(zhí)行。針對(duì)控制器進(jìn)行業(yè)務(wù)遷移過(guò)程中，熱點(diǎn)鏈路可能因?yàn)檫w移執(zhí)行不可控引發(fā)暫態(tài)過(guò)載的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了用戶可定制的更新編排

6、方案。該方案能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)管理者對(duì)更新的要求，轉(zhuǎn)化為更新執(zhí)行調(diào)度計(jì)算的約束和優(yōu)化目標(biāo)，并自動(dòng)構(gòu)建優(yōu)化模型，找到符合用戶要求的更新調(diào)度方案，避免鏈路過(guò)載。仿真測(cè)試表明，本文提出的一致性保障方案和擁塞避免方案均顯著優(yōu)于現(xiàn)有設(shè)計(jì)。
　　3.數(shù)據(jù)中心應(yīng)用需求驅(qū)動(dòng)的分布式流調(diào)度
　　針對(duì)數(shù)據(jù)中心集中式網(wǎng)絡(luò)控制在實(shí)現(xiàn)應(yīng)用協(xié)作流（又稱Coflow）調(diào)度時(shí)面臨性能瓶頸的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了高效的分布式協(xié)作流調(diào)度方案。在不同場(chǎng)景中，系統(tǒng)中的應(yīng)用對(duì)Co

7、flow傳輸調(diào)度會(huì)追求不同的優(yōu)化目標(biāo)。當(dāng)前最普遍的兩類目標(biāo)是：1）在時(shí)延不敏感場(chǎng)景中，最小化系統(tǒng)中Coflow的平均完成時(shí)間，優(yōu)化系統(tǒng)的整體效率；2）在時(shí)延敏感場(chǎng)景中，最小化錯(cuò)過(guò)完成時(shí)限要求的Coflow數(shù)目，優(yōu)化系統(tǒng)整體收益。本文對(duì)Coflow的傳輸優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了建模分析，根據(jù)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的特點(diǎn)，并借鑒并行多機(jī)任務(wù)調(diào)度研究中的發(fā)現(xiàn)，分別設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的分布式調(diào)度方案D-CAS和D2-CAS。在設(shè)計(jì)思路上，它們均根據(jù)業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，將不同目