混合SDN架构下的流量工程研究

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SDN网络是一种新兴的网络架构,将数据平台和控制平台分离,在控制层设置SDN控制器,用于集中控制网络流量分配,简化了传统路由器的管理复杂性,数据层的设备只负责转发数据,从而该网络架构打破传统IP网络的封闭性,使网络提供的服务更加多样化,并能够灵活地配置和使用网络资源,实现负载均衡,提高网络性能。由于SDN网络的诸多优点,近年来,一些企业将SDN网络部署到自己的数据中心,在传统网络的基础上,形成混合SDN网络。然而混合SDN发展处于初级阶段,没有统一的混合模式以及路由机制。又因为部署SDN节点的目的是提高网络性能,所以本文就混合SDN架构下的流量工程问题进行深入分析和研究。首先,本文介绍SDN网络的体系架构和特点,分析了目前关于SDN和混合SDN流量工程的研究现状,并总结了现有的混合SDN网络模型和流量工程算法,深入分析了其存在的问题和不足。然后提出基于节点混合的混合SDN架构和路由机制,为了同时满足网络总时延和单个业务总时延都最小,提出基于Stackelberg博弈的混合SDN流量工程算法。在此基础上,为了完善流量工程,寻找SDN节点的最佳部署位置,提出基于双层规划的SDN节点最优部署算法。总结来说,本文的主要工作如下:(1)本文首先介绍混合SDN网络的基本架构,阐述了几种可能的网络混合模式,及其适用场景,并配图分析从传统网络到SDN过渡的部署方案。对现有的混合SDN流量工程进行分类,详细描述了现有算法的基本思想。(2)混合SDN架构模型存在不同路由机制的协调问题,SDN控制器的控制粒度问题等,并且现有的流量工程算法如Min-Max链路利用率,ECMP算法等,缺乏全局性。针对这些问题,运用Stackelberg博弈模型和Wardrop均衡理论,提出基于节点混合的混合SDN网络模型,选取一部分节点部署为SDN节点,设计基于目的的路由机制,将最短路径树的生成过程分为非SDN网络路由过程和SDN控制路由过程。同时把这两种路由机制的互动协调过程描述为Stackelberg博弈过程,设置选路策略为各自的博弈策略。SDN控制器以整个网络系统总代价最小为目标,非SDN节点的路由以单个业务流的代价最小为目标,建立数学模型,通过互动迭代,设置均衡标准,使得两种路由优化相互协调,最终收敛于博弈的平衡点,实现全局最优。仿真实验表明LB-SG算法能明显降低网络总代价,并且在规模较大,流量需求较多的网络中,该算法的负载均衡效果更明显。(3)为了保证混合SDN流量工程的最优性,作为混合SDN流量工程算法的补充,我们分析和设计了SDN节点部署算法。该算法同时考虑整体网络代价最小,以及非SDN业务的路径时延最小,建立双层规划模型,克服单层规划局部最优的缺陷,从两级决策角度,部署SDN节点。在网络运营商投资确定的情况下,即SDN节点数目确定,该算法保证SDN节点最优的部署位置。实验表明,与传统算法相比该部署方案有效提高网络性能,降低网络总代价。
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