混合SDN架构下的流量工程研究

摘要

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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第一章绪论

1.1 研究背景

1.2 SDN及混合SDN流量工程研究现状

1.3 本文的研究内容及创新点

1.4 论文的组织结构

第二章 混合SDN概述

2.1 混合SDN网络模型介绍

2.2 混合SDN流量工程

2.3 算法效率衡量

第三章 基于Stackelberg博弈的混合SDN流量工程

3.1 基于节点混合的混合SDN模型与路由机制

3.2 Stackelberg博弈简介

3.3 Wardrop均衡理论

3.4 混合SDN流量工程的问题分析与设计

3.5 Stackelberg博弈流量工程优化模型

3.6 Stackelberg博弈流量工程算法

3.7 算法仿真

3.8 本章小结

第四章混合SDN网络中SDN节点部署问题的研究

4.1 引言

4.2 双层规划模型简介

4.3 问题描述及模型建立

4.4 算法设计

4.5 仿真实验

4.6本章小结

第五章总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研项目

致谢