智融标识网络中基于乱序优化的多径多协议传输机制研究

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传统互联网在服务质量、管控能力以及安全性、可扩展性等方面正面临挑战,因此各种演进式或革新式的新型架构被提出。为了解决各种新型架构过渡融合的难题,智融标识网络通过将网络中的异构资源进行智慧融合,实现适配服务需求的协同调度。在网络组件层,利用多接口和多种协议栈实现数据包的多路径传输,搭建多路径跨协议传输体系模型,旨在实现带宽聚合以提升系统的网络资源利用率和传输效率。然而,由于不同路径的性能固有差异与动态变化,数据包在传输过程中极易发生乱序,导致收端缓存堵塞,吞吐量降低,实现高效传输的目标变得困难。本文依托国家重点研发计划“智慧融合的新型路由交换设备研究与验证”项目(2018YFE0206800),提出了一种轻量级的数据包延迟可编程调度(DelayProgrammable Scheduler,DPS)机制,旨在有效地改善智融标识网络下多路径跨协议系统中的数据包乱序问题。具体地,使用虚拟网络设备,在靠近接收端的边缘交换设备上搭建一个虚拟网络环路来传输需要被调度的数据包,然后,基于链路的实时性能或数据包携带的连接状态信息,动态地制定分组转发策略,将调度分组转发至网络环路或接收端,最后,采用特定的加权算法,自适应地控制在虚拟环路中传输的数据包数量,实现最佳的乱序改进与传输性能提升。本文的主要工作如下:首先,本文分析了基于不同协议层次实现多路径并行传输的国内外研究现状,对数据传输调度机制的发展现状与主要趋势进行了探讨,并阐述了本文的研究目标与意义。随后,展开介绍了方案涉及的关键技术,并深入分析了智融标识网络下多径多协议传输面临的关键问题与难点,进一步探究了传输方案需具备的特点。然后,本文提出了基于乱序优化的多径多协议传输调度DPS机制。DPS机制基于可编程协议无关报文处理(Programming Protocol-Independent Packet Processors,P4)语言实现,兼容多种网络协议,扩展了网络边界,通过细粒度的实时数据包调度提高了分组转发的灵活性,高效地利用了靠近接收端和虚拟网络设备的优势,提升了对其他调度机制的兼容性。在转发处理算法的基础上,结合自适应加权算法进行参数优化,提升了对各类新型架构与异构网络场景的普适性。论文分别围绕基于链路性能和基于连接状态的DPS方案展开,详细介绍了方案的实现原理及各个子模块的核心设计思路。接着,详细说明了两种方案的实现方法与技术细节,结合各模块之间的数据处理与信息交互流程详细说明了方案的整体功能与目标。最后,为了分析和验证多路径跨协议传输方案的可行性和有效性,本文对DPS方案进行了功能测试与性能分析。实验结果表明,在多种不同的异构网络场景下,DPS方案可以使乱序率减少50%以上,平均吞吐量提高1-3倍,并且在实际的网络通信场景下可以有效提升带宽聚合与负载均衡效果,通过与其他发端调度策略的并行实施,高效地实现传输性能的提升。因此,本文提出的多路径跨协议传输方案将对新型网络架构性能优化和数据中心的分组调度策略研究和设计提供重要的现实意义。
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