软件定义网络流量管理方法研究

摘要

网络流量管理的主要任务是测量和分析网络流量的信息，并根据这些信息设计合理的路由方案来优化网络流量分布，以提高流的传输效率和网络资源的利用效率。在传统网络中，交换设备根据事先定义好的网络协议对流量进行转发，不具备灵活性和扩展性。软件定义网络（Software Defined Networking，SDN）作为一种新的网络体系结构应运而生，它具有控制与转发隔离，全局集中控制，可编程性等特点。SDN的这些特性大大增强了网络对流的管理能力，因此本文主要研究基于SDN的流量管理方法。 网络流量信息是进行路由优化的重要输入信息，它包括网络状态信息和流本身的信息。其中网络状态信息包括链路的往返时延等，流本身的信息包括流大小等。所以本文首先研究了链路往返时延测量方法和流大小测量方法，然后根据网络信息对流量的路由方案进行优化，来提高网络资源的利用率，实现负载均衡。 链路往返时延是进行网络性能优化和故障诊断的重要指标。本文提出一种精确高效的SDN网络链路往返时延测量方法，利用SDN灵活的路由控制能力，构建测量路径。通过在测量路径上发送探测数据包测量出这些路径的端到端时延，将其与测量路径的路由矩阵结合，进而推导出链路的往返时延。为了降低测量成本和满足监测器容量测量约束，本文第二章研究监测器部署和链路分配问题，并为该问题设计一种基于投标策略的近似算法。结果表明所提出的方法能够准确地测量往返时延，能够为监测器部署和链路分配问题找到可行、有效的解决方案。 网络流量的大小指网络上传输的数据量大小，是进行路由优化的重要输入信息。为了得到准确的网络流量大小信息，本文提出一种基于流量统计特性的网络级细粒度流测量方法。该方法利用流大小服从正态分布的统计特性对网络中的大流进行估计，然后对估计出的大流进行测量。实验结果表明该方法估计的准确率为84.0%，对流进行测量后可以得到所有流的大小，能为路由优化提供重要信息。 流量管理的主要目的是根据网络信息设计合理的路由优化方案调整网络流量的分布，以提高流量的传输效率和网络资源的利用效率，因此路由优化是流量管理中非常重要的一方面。一方面，在SDN交换机中，流需要流规则来转发，而流规则一般存储在TCAM中，但TCAM资源有限；另一方面，将现有的IP网络升级到SDN网络并不能立即实现。因此本文研究具有TCAM容量约束的混合SDN网络的流量路由优化问题。该问题可表示为混合整数线性规划问题。本文提出多种分两阶段求解的近似算法，这些算法通过对流的路径进行选择，在每个SDN交换机中只需要少量TCAM表项，就可以获得良好的路由优化性能。

目录

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缩略词表

第一章 绪 论

1.1研究背景与意义

1.2.1软件定义网络

1.2.2链路往返时延测量

1.2.3流量大小测量

1.2.4路由优化

1.3本文的主要贡献及创新

1.3.1链路往返时延测量

1.3.2流量大小测量

1.3.3路由优化

1.4本文内容和结构安排

第二章链路往返时延测量方案

2.1引言

2.2网络模型与设计思路

2.2.1网络模型

2.2.2设计思路

2.3测量方案

2.3.1测量路径构造

2.3.2流规则的设计

2.4 MPLA问题建模

2.4.1监测器部署与链路分配问题

2.4.2 MPLA问题的复杂度分析

2.4.3 MPLA问题公式化

2.5 MPLAA-BS算法

2.6仿真测试与分析

2.6.1仿真设置

2.6.2测量成本

2.6.3测量性能

2.7本章小结

第三章基于流量统计特性的网络级细粒度流测量

3.1引言

3.2测量架构

3.2.1单节点流量测量

3.2.2网络级流量测量

3.3问题建模

3.3.1问题描述

3.3.2基本思路

3.3.3算法分析

3.3.4随机抽取测量方法

3.4仿真评估

3.4.1仿真设置

3.4.2仿真结果与分析

3.5本章小结

第四章TCAM容量约束下的路由优化问题

4.1引言

4.2问题建模

4.2.1可行路径的构造

4.2.2 TCAM容量约束下的RO问题

4.3近似算法

4.3.1最小拥塞路由问题

4.3.2路由调整问题

4.4仿真测试与分析

4.4.1仿真设置

4.4.2仿真结果

4.5本章小结

第五章全文总结与展望

5.1全文总结

5.2未来工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果