数据中心是互联网和云计算的基础支撑平台,是一个国家信息技术发展的重要标志,正成为各国新的战略竞争点。数据中心虽然由来已久,但围绕数据中心的研究方兴未艾。特别是近年来,随着互联网、云计算、大数据等新兴技术和应用的飞速发展,作为基础平台的数据中心也得到了快速发展,其组成、结构、功能、规模及应用模式等各方面正发生深刻的变革。网络资源是数据中心的紧缺资源,深入研究分析现代数据中心网络资源管理与性能优化的技术和方法,对于揭示数据中心网络的基本工作机理,提高数据中心网络运行效率,节省成本和开销,具有十分重要的理论和现实意义。地址自动配置技术、传输控制协议、流量管理技术等是现代数据中心网络资源管理与性能优化的重要内容,对提高数据中心网络运行效率具有十分基础和关键的作用。本文从数据中心网络的基本特征出发,以网络性能优化为目标,分别对以上三个方面开展了研究。全文的主要工作及创新点如下:1.系统分析了现代数据中心网络特征及其对网络资源管理的影响。网络特征研究是进行网络资源管理和性能优化的基础。从网络结构、应用模式、网络流量及虚拟化等方面对现代数据中心网络的特征进行了分析总结,并就这些特征对网络资源管理和性能优化可能产生的影响和挑战进行了分析研究。主要结论包括:○1在网络结构方面,现代数据中心网络的基本结构正从传统的树形层次结构,向胖树结构和非树形结构转变。○2在应用模式方面,现代数据中心网络正从传统的企业自建、自主运维的方式向公共云服务转变,资源以动态、弹性、按需的方式在不同的租户和应用之间分配和共享使用。○3在网络流量方面,集群通信是数据中心网络的典型通信模式;网络流在数据中心内部分布不均匀,表现出局部性和动态性。○4在网络虚拟化方面,现代数据中心普遍采用虚拟化技术,虚拟机作为资源分配和调度的基本粒度,为了支持资源的动态分配,要求数据中心网络为扁平的二层网络且动态可配置虚拟网。现代数据中心网络的这些特性,给网络资源管理和性能优化,如地址自动配置、拥塞控制、流量调度等提出了新的挑战。2.深入研究了拓扑相关的数据中心网络地址自动配置方法。近年提出的许多数据中心网络其逻辑地址都是拓扑相关的,即逻辑地址本身包含了位置信息。拓扑相关的地址自动配置的核心问题是逻辑地址到物理地址的映射问题,直观上可转化为图同构问题。然而由于一般的图同构算法复杂度都相当高,难以适用于大规模数据中心网络。当前的解决方法仍主要基于图同构的基本理论,因而仍面临性能、效率、容错性等方面的缺陷。本文首先针对一般的数据中心网络结构,提出了一种基于遗传算法的容错地址自动映射算法GA-MAP,然后针对当前使用最为广泛的树形数据中心网络,提出了一种快速地址自动配置算法TREE-CONF。GA-MAP首先将地址映射问题转化为优化问题,然后基于数据中心网络结构特性,采用改进的遗传算法加以解决。该算法除具有有效的计算性能外,还本质地具有良好的容错特性,能够实现带故障情况下的网络地址自动映射。TREE-CONF则主要针对当前使用最为广泛的树形数据中心网络结构,提出了一种快速的地址自动映射算法。与一般通用的网络地址自动映射算法相比,该算法具有更好的计算性能,对百万节点规模的网络,能够在几秒内完成地址映射。3.创新提出了超时/超时代价感知的数据中心网络传输协议。最近的研究表明,数据中心网络的许多应用面临某种软实时限制,超过这种限制将影响到用户体验进而影响投资回报。而传统的TCP协议是超时无关的,直接将其应用于数据中心网络易引发超时、拥塞等,进而导致低效。针对这一特性,本文首先提出了一种数据中心网络超时感知的传输协议DA-TCP。DA-TCP根据流的超时时限调节流的发送速率,从而最大限度满足超时敏感流的传输需求。但有时我们或许更关心流的超时代价,在此情况下,如何合理分配网络资源以使得流的总的超时代价最小成为新的研究课题。为此,本文进一步提出了一种超时代价感知的网络传输协议CA-TCP。CA-TCP根据流的超时代价和网络拥塞程度,动态调整发送速率,仿真结果表明,与其他协议相比,CA-TCP通常具有最小的超时代价。4.分别设计了基于流调度和VM迁移的数据中心网络流量平衡方法。数据中心网络流的数目巨大。大量的流并发流经数据中心网络,极易发生流量不平衡,导致拥塞、丢包和网络利用率降低。同时,数据中心网络高带宽、低延迟、高吞吐率及以老鼠流为主的特性给网络流的调度带来严峻挑战。针对不同网络流的特点及对流调度的不同需求,分别设计了一种基于流调度的流量平衡方法SFTB和基于VM迁移的流量平衡方法NVMS。前者利用数据中心网络的多路径特性及TCP的拥塞反馈机制,能够在RTT级实现流调度,在不同的传输路径分配和平衡流量,从而实现对短流和突发流的快速流量平衡。后者则基于网络流的长期分布特性,借助VM迁移技术,设计了一种基于VM在线迁移的流量平衡方法。为了克服大量的流量计算和虚拟机迁移带来的开销,算法采用分布式增量迁移的方式,可实现流量平衡和迁移代价之间的平衡。改变网络长期的流量分布与短期的流调度两者相结合,可以最大限度实现网络流量平衡,提高网络效率。