基于元能力的網(wǎng)絡(luò)功能組合關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)存在的體系僵化問題導(dǎo)致其難以滿足承載多樣化的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、支持多樣化的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)、建立差異化的通信通道等迫切需求。近年來，國(guó)內(nèi)外已相繼從可重構(gòu)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)路由交換架構(gòu)與技術(shù)等不同側(cè)面對(duì)互聯(lián)網(wǎng)體系進(jìn)行了積極的研究和探索。其中以可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、SDN和NFV技術(shù)為代表的開放網(wǎng)絡(luò)體系對(duì)網(wǎng)絡(luò)核心層功能重新抽象，動(dòng)態(tài)地組合細(xì)粒度功能，提升了網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性、可演進(jìn)性和可擴(kuò)展性，成為當(dāng)前熱點(diǎn)研究方向。但是，現(xiàn)階段的研究存在以下問題有待改善：在節(jié)點(diǎn)層面，傳

2、統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)功能結(jié)構(gòu)缺乏對(duì)外部變化的適應(yīng)能力；在網(wǎng)絡(luò)層面，分散在網(wǎng)絡(luò)中的功能節(jié)點(diǎn)缺乏協(xié)同的組合方法，導(dǎo)致功能管理復(fù)雜，利用低效；對(duì)于網(wǎng)絡(luò)核心層開放后的功能在全網(wǎng)范圍內(nèi)的布局方法缺乏研究；網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)需要功能節(jié)點(diǎn)在不同域之間動(dòng)態(tài)地布局或遷移，而當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)分域管理難以應(yīng)對(duì)。以“結(jié)構(gòu)決定功能”為原則，本文依托于國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(973計(jì)劃)(N0.2012CB315901)----“可重構(gòu)信息通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)體系研究”的元能力理論

3、，研究網(wǎng)絡(luò)功能的重新抽象、動(dòng)態(tài)組合、跨域布局和彈性遷移。首先，本文將網(wǎng)絡(luò)功能基于不同粒度定義為元能力、元服務(wù)、服務(wù)和應(yīng)用等不同層次的概念，并在單節(jié)點(diǎn)內(nèi)引入動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)----元能力棧，提出元能力棧的構(gòu)建算法；其次，在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)引入定制化處理通道----服務(wù)鏈，并提出服務(wù)鏈的實(shí)例化框架，實(shí)現(xiàn)功能節(jié)點(diǎn)的協(xié)同控制；再次，以元能力棧和服務(wù)鏈構(gòu)建為驅(qū)動(dòng)，研究功能在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的布局算法，以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)；最后，為支持網(wǎng)絡(luò)功能的跨域部署或遷移，提出了以交換

4、機(jī)遷移為手段的粗粒度彈性控制算法。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴針對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)功能結(jié)構(gòu)缺乏對(duì)外部變化的適應(yīng)能力的問題，本文將當(dāng)前基于層的協(xié)議棧分解為更細(xì)粒度的功能單元集，然后按需組合不同的功能單元?；趶?fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，提出了一種新的適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，即可重構(gòu)結(jié)構(gòu)(RECONfigurable architecture，RECON)。首先，與現(xiàn)有方法不同，RECON將協(xié)議棧第三層和第四層功能分解為細(xì)粒度的功能單元，稱

5、為元能力。其次，在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部，RECON以最優(yōu)的方式組合元能力，為不同應(yīng)用定制元能力棧。本文將元能力組合問題抽象為非線性整數(shù)優(yōu)化問題，并設(shè)計(jì)算法求解以在最優(yōu)值與計(jì)算代價(jià)之間折中。最后，我們實(shí)現(xiàn)了RECON的原型系統(tǒng)，并驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。⑵針對(duì)分散在網(wǎng)絡(luò)中的功能節(jié)點(diǎn)缺乏協(xié)同的組合方法導(dǎo)致功能管理復(fù)雜且利用低效的問題，本文綜合軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software-Defined Networking，SDN)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(Network Fu

6、nctions Virtualization，NFV)，提出了一種服務(wù)鏈實(shí)例化框架。首先，由于底層元能力是對(duì)節(jié)點(diǎn)資源的直接訪問，不具有業(yè)務(wù)意義，因此本文將不同元能力組合成元服務(wù)。元服務(wù)向上層服務(wù)或應(yīng)用提供訪問核心資源的接口。其次，本文提出了一種服務(wù)鏈生成方法。每條服務(wù)鏈由具有順序約束的元服務(wù)序列組成。由于每種元服務(wù)在網(wǎng)絡(luò)中分布著多個(gè)實(shí)例，因此服務(wù)鏈生成過程即為元服務(wù)選擇實(shí)例的過程。我們將該過程建模為線性整數(shù)規(guī)劃問題，并采用模擬退火算法求

7、解。最后，基于SDN控制器實(shí)現(xiàn)了服務(wù)鏈框架原型系統(tǒng)，稱為Matchmaker。實(shí)驗(yàn)證明Matchmaker系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的協(xié)同和靈活控制。⑶針對(duì)網(wǎng)絡(luò)核心層開放后形成的服務(wù)在全網(wǎng)范圍內(nèi)的分布式布局方法缺乏研究的現(xiàn)狀，本文提出了基于談判博弈的分布式協(xié)同網(wǎng)絡(luò)服務(wù)布局算法。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的最優(yōu)布局可以有效降低網(wǎng)絡(luò)延遲，最大化網(wǎng)絡(luò)效用，有助于保持互聯(lián)網(wǎng)及其應(yīng)用的良好運(yùn)行。然而，由于服務(wù)實(shí)例數(shù)量、請(qǐng)求模式及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)視圖的動(dòng)態(tài)變化，服務(wù)的最優(yōu)布局難以計(jì)

8、算。本文基于市場(chǎng)上分布式地討價(jià)還價(jià)活動(dòng)，將布局問題建模為納什談判博弈，并設(shè)計(jì)一種基于討價(jià)還價(jià)理論的分布式協(xié)同網(wǎng)絡(luò)服務(wù)布局算法，通過網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的協(xié)同獲取網(wǎng)絡(luò)全局狀態(tài)，求解服務(wù)的最優(yōu)布局。仿真結(jié)果表明本文算法可以通過調(diào)節(jié)基本量以實(shí)現(xiàn)用戶體驗(yàn)與網(wǎng)絡(luò)效用之間的均衡。⑷針對(duì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)分域管理難以應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)面臨的功能節(jié)點(diǎn)的跨域遷移問題，提出了基于交換機(jī)遷移的分布式彈性控制算法。在SDN和NFV的部署網(wǎng)絡(luò)中，可編程交換機(jī)將目標(biāo)流量轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的網(wǎng)

9、絡(luò)功能單元進(jìn)行處理，因此網(wǎng)絡(luò)功能的動(dòng)態(tài)部署可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)控制域之間的負(fù)載不均衡。本文提出一種通過控制域間的交換機(jī)遷移實(shí)現(xiàn)粗粒度的網(wǎng)絡(luò)功能彈性遷移的方法。然而，遷移操作需要精細(xì)的規(guī)劃以充分利用控制平面的多維資源，包括計(jì)算(CPU)、帶寬(bandwidth)和存儲(chǔ)(storage)資源。該規(guī)劃問題稱為交換機(jī)遷移問題(Switch Migration Problem，SMP)。提出一種SDN的資源模型，將SMP建模為網(wǎng)絡(luò)資源效用最大化問題。其