软件定义网络中面向多类型服务的资源管理策略研究

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软件定义网络(Software Defined Networking,SDN)是一种新型网络范式用来管理计算机网络的数据流传输。在SDN中控制平面的控制器能集中管理数据流传输,数据平面的交换机只负责数据的转发。因此,SDN的控制器与交换机间的映射关系会对网络的性能产生较大影响。不仅如此,近年来,随着物联网技术以及5G网络的快速发展,越来越多的高带宽、低延迟业务进入了人们的生活中,如虚拟现实、手机游戏和关键任务应用等。各种业务的数据流以指数倍的速度增长,给网络数据传输管理和网络资源管理带来巨大挑战。基于以上考虑,本文旨在研究SDN中面向多类型服务的资源管理策略,包括考虑如何为不同的业务提供控制器资源,如何利用SDN技术与网络功能虚拟化技术感知服务并为其建立服务功能链(Service Function Chain,SFC),以及如何在移动边缘云网络资源紧缺和用户移动性前提下有效地为用户提供虚拟资源。本文主要贡献如下:一、研究了以流为对象的软件定义数据中心网络的控制器与交换机之间的自适应映射管理机制。首先,设计了一种两层分类控制模式网络架构,提出了与设计网络模型特征相符的一种新的自适应的控制器配置机制;然后,在满足网络容量限制和延迟需求的前提下,构建了控制器与交换之间的映射关系,并建立了流、控制器和交换机之间的映射管理整数规划模型;为求解该问题,设计了一套低开销的随机凑整算法,并从理论上和仿真实验方面分析了所提算法与最优解之间的近似差距;最后,仿真结果表明,所提出的算法可以有效的降低网络中控制带宽开销和路由规则建立的延迟开销。二、研究了SDN中业务感知的SFC路由及虚拟资源配置策略。首先,设计了基于SDN的虚拟资源配置网络模型,结合服务流量的变化效应和服务功能之间依赖关系特征,提出了服务感知的SFC路由问题;然后,将该问题构建为以最小网络最大链路负载为优化目标的整数规划模型,并将其归约到哈密顿环问题,证明了该问题为NP难;随后,提出了三种低时间复杂度的启发式算法来求解全序列虚拟服务功能链路由和部分有序服务功能链的路由;最后,大量实验结果表明,所提算法在降低丢包率、减少端到端传输延迟等方面具有较好的性能。三、研究了SDN中面向用户移动性的VNF(Virtual Network Functions,VNF)放置问题。首先,针对用户高速移动性会导致SFC端到端延迟不稳定性问题,设计了基于SDN的移动边缘网络中VNF放置管理架构;然后,通过考虑用户延迟和边缘云服务器资源容量,利用SDN控制器评估用户移动的特征作为决策参数,构建了一个面向移动用户的VNF自适应放置的非线性整数规划问题;接着,利用SFC中各VNF间的依赖关系将其转换为整数规划问题,并证明该问题为NP难;随后,设计了随机凑整算法,从理论上分析了所提算法与最优解之间的近似差距,最后,仿真结果表明,所提的算法在用户接入率、带宽消耗和CPU内存资源消耗等方面优于现有算法。
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