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。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大、應(yīng)用場景的復(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。面對這些問題，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；借助網(wǎng)

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

3、數(shù)據(jù)中心需要結(jié)合應(yīng)用特點調(diào)度流，但簡單的集中式調(diào)度控制器會成為性能瓶頸。本文以這三類問題為關(guān)注點展開具體研究，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
　　針對目前高速SDN/OpenFlow設(shè)備流表空間受限，制約SDN使用的問題，本文根據(jù)流表規(guī)則內(nèi)在特點，設(shè)計高效的規(guī)則快照式聚合方法FFTA，和對應(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，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)語義正確。這樣的規(guī)則聚合方案不會更改轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則表的語義，無需修改OpenFlow協(xié)議，能夠直接在控制器上實現(xiàn)。測試結(jié)果表明，本文方案設(shè)計的算法比現(xiàn)有同類算法聚合效果更好，運算速度更快，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
　　針對控制器對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)則更新過程中，不同設(shè)備新規(guī)則生效時間不可控可能導(dǎo)致規(guī)則混用，引發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)故障的問題，本文設(shè)計了通用的兩階段更新機(jī)制。該機(jī)制沿用了讓數(shù)據(jù)包攜帶版本號避免規(guī)則混用的思路，在實現(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)范了更新過程，使網(wǎng)絡(luò)支持多更新并發(fā)執(zhí)行。針對控制器進(jìn)行業(yè)務(wù)遷移過程中，熱點鏈路可能因為遷移執(zhí)行不可控引發(fā)暫態(tài)過載的問題，本文設(shè)計了用戶可定制的更新編排

6、方案。該方案能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)管理者對更新的要求，轉(zhuǎn)化為更新執(zhí)行調(diào)度計算的約束和優(yōu)化目標(biāo)，并自動構(gòu)建優(yōu)化模型，找到符合用戶要求的更新調(diào)度方案，避免鏈路過載。仿真測試表明，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。
　　3.數(shù)據(jù)中心應(yīng)用需求驅(qū)動的分布式流調(diào)度
　　針對數(shù)據(jù)中心集中式網(wǎng)絡(luò)控制在實現(xiàn)應(yīng)用協(xié)作流（又稱Coflow）調(diào)度時面臨性能瓶頸的問題，本文設(shè)計了高效的分布式協(xié)作流調(diào)度方案。在不同場景中，系統(tǒng)中的應(yīng)用對Co

7、flow傳輸調(diào)度會追求不同的優(yōu)化目標(biāo)。當(dāng)前最普遍的兩類目標(biāo)是：1）在時延不敏感場景中，最小化系統(tǒng)中Coflow的平均完成時間，優(yōu)化系統(tǒng)的整體效率；2）在時延敏感場景中，最小化錯過完成時限要求的Coflow數(shù)目，優(yōu)化系統(tǒng)整體收益。本文對Coflow的傳輸優(yōu)化問題進(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，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)計了對應(yīng)的分布式調(diào)度方案D-CAS和D2-CAS。在設(shè)計思路上，它們均根據(jù)業(yè)務(wù)的特點，將不同目