软件定义网络中资源高效的多播传输研究

摘要

因特网在经历了几十年的辉煌之后遇到了发展瓶颈。随着大量协议及应用的加入，网络设备的功能越来越复杂，软件越来越庞大，再加上软硬件高度耦合且封闭的设备架构，网络创新变得步履维艰。软件定义网络是为促进网络创新而提出的一种新型网络架构，它采用控制面与数据面分离、控制面全局集中控制的网络体系结构，极大地简化了网络控制的实施、网络设备的开发以及网络应用的编写，使得新的应用及协议可以独立于设备厂商而实现快速部署，并且许多困扰着传统网络的问题在软件定义网络中都有可行的解决方案。因此，软件定义网络已被认为是最有希望的未来网络架构。
　　多播是一种高效的点到多点传输方式。接收路径差异性问题是多播传输特有的问题，系指同一棵多播树上的接收路径可能支持不同的数据速率。目前，无论是在传统网络中还是在软件定义网络中，解决接收路径差异性问题都需要为一个多播组建立多棵树。这不仅增加了计算复杂度，也极大地增加了多播会话需要在网络中保留的状态，这对于流表空间非常宝贵的交换机来说是不能容忍的。
　　本论文研究接收路径差异性问题在软件定义网络中资源（计算、带宽、流表空间）高效的解决方案。针对有损数据传输和无损数据传输两种情形，分别提出了基于单棵多播树的高效解决方案，可在满足带宽分配公平性、提高多播会话传输速率的同时，最小化多播会话需要的流表项及计算复杂度。论文的主要贡献和创新点如下:
　　1.针对允许有损传输的分层编码视频应用，借鉴多速率多播思想设计与实现了面向软件定义网络的完整解决方案，在为接收者提供差异化服务的同时几乎不增加交换机流表空间的使用。
　　2.针对因多播组动态变化带来的多播树更新问题，研究了网络带宽在多个多播应用之间实时的、增量式的公平分配问题，给出了问题的数学描述以及求解该问题的高效的启发式算法，在带宽分配公平性、更新代价和计算时间复杂度三个方面均取得较好的性能。
　　3.针对典型局域网环境中的无损多播传输，通过仅为多播树上的瓶颈链路建立局部辅助路径解决了接收路径差异问题，并且没有显著增加交换机流表空间的使用。
　　本论文面向实际网络应用，所提方案在满足带宽公平分配的同时，最小化计算开销和交换机流表空间的使用，因而是具有实际应用价值的解决方案。

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摘要

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第一章 绪论

1．1 因特网发展的困境

1．2 软件定义网络

1．3 多播通信

1．4 SDN中的多播研究

1．5 论文工作与内容组织

第二章 相关工作

2．1 SDN工作原理

2．2 Openflow协议

2．2．1 流表(Flow Table)

2．2．2 组表

2．2．3 队列

2．2．4 Openflow消息

2．3 SDN控制器

2．4 本章小结

第三章 面向分层编码视频的多速率多播

3．1 分层编码视频的多播传输

3．2 问题分析

3．3 多速率多播树的计算

3．4 多速率多播树的增量更新

3．5 多速率多播流表项的生成

3．6 实验评估

3．6．1 实验环境

3．6．2 接纳视频流的能力

3．6．3 流表空间压缩

3．7 结束语

第四章 多速率多播会话的带宽公平分配

4．1 会话间公平问题

4．2 研究现状

4．3 问题描述

4．4 基于禁忌搜索的求解算法

4．4．1 禁忌搜索原理

4．4．2 禁忌搜索算法设计

4．4．3 计算复杂度分析

4．5 基于启发式算法的问题求解

4．5．1 启发式算法设计

4．5．2 计算复杂度分析

4．6 实验评估

4．6．1 实验设置

4．6．2 公平性评估

4．6．3 更新代价评估

4．6．4 计算复杂度评估

4．7 小结

第五章 局部多路径增强的多播路由

5．1 面向无损多播传输的多树方案

5．2 问题分析

5．3 问题描述

5．4 算法设计原则

5．5 局部多路径搜索算法

5．5．1 划定多路径搜索区域

5．5．2 确定多路径集合的起始点

5．5．3 计算局部多路径集合

5．5．4 完整的算法

5．6 路由安装

5．7 实验评估

5．7．1 实验设置

5．7．2 多路径搜索区域的最佳半径

5．7．3 算法比较

5．8 小结

第六章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 进一步的工作

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果