智慧协同网络下基于需求感知的资源适配方法研究

摘要

随着用户规模的扩大和应用种类的增加，互联网已经成为一个承载数据、多媒体等种类繁多、特征各异、海量应用的综合业务网络。然而，传统TCP/IP网络体系仅提供尽力而为且粗粒度的服务，而不承载用户具体需求和业务特征，使得网络难以根据用户具体需求和业务特征对网络资源进行智能分配，导致了用户体验不佳、资源利用低、服务质量差等弊端。为此，本文以国家973项目“智慧协同网络理论基础研究”为背景，从网络如何感知用户和服务需求、如何利用用户和服务需求等问题出发，研究基于需求感知的资源适配方法。论文的主要研究工作与创新点如下:
　　(1)针对网络如何感知用户和服务需求的问题，提出了一种需求感知通用基础框架，并在原型系统中验证了其可行性。首先，分析了在网络体系架构中提供用户和服务需求感知能力的必要性，并讨论了架构设计时面临的主要挑战。在此基础上，提出利用XML语言对用户和服务需求进行描述，在报头中携带XML语言描述的需求信息，并利用控制器读取用户和服务需求。再次，在智慧协同网络原型系统中对提出的需求感知通用基础框架进行了实现，并以感知服务内容大小这一服务需求为例，结合域内路由适配机制，从可行性和大流探测两方面进行了测试评估。实验结果表明，该框架能够实现对需求信息的合理感知，且具有良好的架构兼容性，显著减轻了数据流探测和网络资源优化等方面的负担开销。
　　(2)针对如何利用用户需求提升用户体验的问题，提出了一种感知用户需求的个性化服务选择模型和自适应分级传输机制，可实现面向用户的差异化服务适配并提升链路带宽利用率。针对服务获取的解析阶段，建立了基于用户偏好需求的服务选择统计概率模型，并运用蒙特卡洛仿真对服务选择过程进行随机抽样。从理论和仿真两个角度分析不同场景下用户偏好对服务选择的影响，得到了服从负指数分布的服务选择变化规律。针对服务获取的传输阶段，提出了基于用户级别感知的自适应分级传输机制，通过引入用户级别需求与用户级别管理器模块，设计了一种基于用户级别的链路带宽适配方案。仿真结果表明，该方案实现面向用户的差异化分级传输质量，并提升链路带宽利用率25％以上。
　　(3)针对网络在已知服务需求时的资源动态适配问题，提出了一种基于期限需求的低开销数据流传输控制机制(DSLO)，可降低数据中心网络无效期限流所引发的网络开销。DSLO提出了最大化期限满足率和最小化无效流开销的总体设计思路，以及接受、预测和中止三种资源适配控制功能。在此基础上，通过发送端驱动的平均传输速率监测，实现了一种基于发送速率的无效流预测方法，并对该方案进行鲁棒性分析。与此同时，在交换机端建立了与降速倍数相关的无效期限流概率预测模型，并提出了一种基于预测概率的自适应预测方法。最后，在典型数据中心网络拓扑下，针对包括DSLO在内的不同期限流传输机制，从网络开销、期限满足率、参数选择合理性及机制鲁棒性四个方面进行仿真测试与评估。仿真结果表明，DSLO机制能够实现对无效期限数据流的合理预判，最优情况将网络开销从10％削减至1％以内并维持90％以上的期限满足率。
　　(4)针对服务需求感知如何有效提升服务质量的问题，提出了一种基于期限需求的数据流调度机制(FBDS)，实现了基于期限约束的集中式停等调度决策，可有效提升数据中心网络高并发流情况下的期限满足率。FBDS机制的核心思想是采用集中式的控制方案，推迟一些数据流至期限到达时刻完成，通过预留传输空间的方式，缓解高并发流情况下的期限流失效问题。FBDS机制通过引入传输调度块和停等操作，设计了期限流的停等调度算法，并从调度块独立性和停等机制合理性两个方面对停等调度进行理论推导验证。最后从数据流平均完成时间、期限满足率、停等程度三个方面对FBDS机制进行仿真评估测试。仿真结果表明，FBDS机制在高并发流情况下，可以将期限满足率从最差的45％左右提升至85％以上。

目录

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致谢

摘要

图目录

表目录

主要缩略语对照表

1 绪论

1．1 论文研究背景

1．1．1 网络中的海量需求

1．1．2 需求感知与资源适配的发展研究现状

1．1．3 研究问题的提出

1．2 论文研究目标与意义

1．3 论文主要研究工作

1．4 论文组织结构

1．5 论文主要贡献与创新

2 需求感知通用基础框架

2．1 引言

2．2 未来网络需求感知的必要性

2．3 基于需求感知的未来网络体系设计挑战

2．4 需求感知通用框架设计

2．4．1 框架假设

2．4．2 总体框架

2．4．3 优势分析

2．5 需求感知框架应用场景示例

2．5．1 SFC功能支持场景例

2．5．2 SDN功能支持场景例

2．6 基于智慧协同网络的需求感知框架原型系统实现及测试

2．6．1 原型系统实现

2．6．2 实验结果分析

2．7 本章小结

3 基于用户需求的个性化服务适配方法

3．1 引言

3．2 服务针对用户需求的个性化推送建模

3．2．1 智慧协同网络服务注册与解析

3．2．2 用户选择定制模型

3．2．3 仿真结果与分析

3．3 网络针对用户需求的差异化服务适配

3．3．1 智慧协同网络无解析模式通信机制简介

3．3．2 UAAT传输机制

3．3．3 仿真结果与分析

3．4 本章小结

4 基于服务需求的网络开销控制方法

4．1 引言

4．2 研究基础及问题描述

4．2．1 研究背景

4．2．2 D2TCP机制介绍

4．2．3 问题描述

4．3 低开销数据流传输优化机制设计

4．3．1 总体设计思路

4．3．2 低开销资源适配功能

4．4 一种改进式的无效数据流预测方法

4．4．1 预测无效数据流

4．4．2 解释例

4．4．3 鲁棒性分析

4．5 一种基于概率模型的无效数据流自适应预测方法

4．5．1 无效流概率预测模型

4．5．2 基于阈值的预测机制

4．5．3 基于概率的预测机制

4．5．4 自适应的DSLO机制设计

4．6 仿真结果与分析

4．6．1 仿真环境与参数设置

4．6．2 网络开销

4．6．3 期限满足率

4．6．4 胖树形拓扑下性能分析

4．6．5 对basic DSLO机制的进一步测试

4．7 本章小结

5 基于服务需求的期限流传输调度方法

5．1 引言

5．2 研究基础及问题描述

5．2．1 调度算法的继承

5．2．2 满足期限流的最优策略分析

5．3 基于停等属性的数据流调度机制设计

5．3．1 设计目标

5．3．2 停等调度机制

5．3．3 调度块独立性证明

5．3．4 停等机制的可用性证明

5．4 仿真结果与分析

5．4．1 仿真环境与参数设置

5．4．2 平均期限流完成时间

5．4．3 期限满足率

5．4．4 停等程度

5．5 本章小结

6．1 总结

6．2 未来研究工作展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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