身份與位置分離網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、當(dāng)前，在互聯(lián)網(wǎng)研究領(lǐng)域所提出的各種未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，基于身份與位置分離機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具有可擴(kuò)展性強(qiáng)，支持移動性和多家鄉(xiāng)，安全性良好等方面的原生優(yōu)勢，是未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主要方向之一。然而，在針對身份與位置分離網(wǎng)絡(luò)的研究中，對于如何提升網(wǎng)絡(luò)性能和資源利用效率，如何減小網(wǎng)絡(luò)控制開銷等方面的研究仍然不夠充分，而這些方面對于網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展部署、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用穩(wěn)定性的支持以及用戶服務(wù)質(zhì)量的保證都是至關(guān)重要的。因此，本文基于身份與位置分離網(wǎng)絡(luò)，對負(fù)載均衡及其相關(guān)問

2、題展開了研究，論文的主要?jiǎng)?chuàng)新工作如下:
　　1.現(xiàn)有的身份與位置分離網(wǎng)絡(luò)中的流量工程方法，均無法同時(shí)很好地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、分布式、低控制開銷的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡。針對這一問題，提出了一種基于身份與位置分離網(wǎng)絡(luò)的分布式實(shí)時(shí)負(fù)載均衡機(jī)制。該機(jī)制利用身份與位置映射關(guān)系，根據(jù)本地和通信對端的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和拓?fù)湫畔?，?shí)時(shí)分配數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑，從而實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡。在該機(jī)制中，執(zhí)行路徑選擇的路由器無需獲取全網(wǎng)的鏈路狀態(tài)和流量需求，也無需中央控制器提供最優(yōu)路由

3、。同時(shí)，該機(jī)制不會帶來路由收斂性和穩(wěn)定性方面的問題。該機(jī)制僅帶來了非常小的額外控制開銷。為評估該機(jī)制，定義了待評估性能的解析公式，通過軟件仿真實(shí)現(xiàn)了該機(jī)制及其數(shù)據(jù)包調(diào)度算法，對比并分析了空載鏈路的比率、歸一化鏈路利用率、流量比率和網(wǎng)絡(luò)控制開銷。結(jié)果表明，該機(jī)制有效地提升了網(wǎng)絡(luò)資源利用效率和網(wǎng)絡(luò)性能，并僅帶來了較小的控制開銷。
　　2.在基于身份與位置分離網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡機(jī)制中，為了進(jìn)一步可靠地提升網(wǎng)絡(luò)資源使用效率和網(wǎng)絡(luò)性能，提出了一

4、種基于反饋原理的負(fù)載均衡方法。該方法通過建立基于經(jīng)典控制理論的閉環(huán)控制模型、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)流分配算法，實(shí)現(xiàn)了更為有效的全網(wǎng)負(fù)載均衡。該方法在獲知網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)觀測值、網(wǎng)絡(luò)性能經(jīng)驗(yàn)估算值和性能要求的基礎(chǔ)上，通過求解閉環(huán)控制模型得到路由器接口的理想輸出速率，并由數(shù)據(jù)流分配算法基于該求解結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)流分配。該方法保持了分離網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡機(jī)制的實(shí)時(shí)分布式運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)，并且未引入任何額外的控制開銷。為評估該方法的性能，對其進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明，相比于經(jīng)典調(diào)度

5、算法及第二章所提出的算法，該方法有效降低了網(wǎng)絡(luò)的最大鏈路利用率，進(jìn)一步提升了網(wǎng)絡(luò)性能和資源使用效率。
　　3.為實(shí)現(xiàn)基于身份與位置分離網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡機(jī)制在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的完整性和可用性，優(yōu)化路由可擴(kuò)展性，降低網(wǎng)絡(luò)配置復(fù)雜度，設(shè)計(jì)了一種基于平面化標(biāo)識的路由優(yōu)化協(xié)議。該協(xié)議通過修改現(xiàn)有路由協(xié)議中部分消息格式及內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，引入了自動生成的平面化標(biāo)識作為身份與位置分離網(wǎng)絡(luò)中的位置標(biāo)識，用于數(shù)據(jù)包的路由轉(zhuǎn)發(fā)。該協(xié)議顯著降低了域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的路由表規(guī)

6、模，有效簡化了網(wǎng)絡(luò)配置的復(fù)雜度。為評估該協(xié)議，基于實(shí)際的運(yùn)營商拓?fù)鋽?shù)據(jù)，給出了待評估性能的解析表達(dá)式。結(jié)果表明，該協(xié)議能夠有效提升路由可擴(kuò)展性，降低網(wǎng)絡(luò)配置復(fù)雜度和控制開銷。
　　4.優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)功耗通常意味著減少冗余的可用網(wǎng)絡(luò)資源，而負(fù)載均衡則要求盡可能地最大化利用冗余網(wǎng)絡(luò)資源。因此，為解決該矛盾，實(shí)現(xiàn)降低網(wǎng)絡(luò)功耗和平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的雙重目標(biāo)，提出了一種能夠同時(shí)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)功耗和實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡的方法。該方法包含了一個(gè)非線性規(guī)劃形式的權(quán)衡模型和

7、一個(gè)啟發(fā)式算法。該模型在目標(biāo)函數(shù)中綜合考慮了網(wǎng)絡(luò)鏈路功耗和鏈路負(fù)載帶來的代價(jià)，通過引入功率-帶寬方程，設(shè)計(jì)代價(jià)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對網(wǎng)絡(luò)鏈路功耗和鏈路負(fù)載的協(xié)同優(yōu)化。同時(shí)，提出的啟發(fā)式算法能夠快速求得該優(yōu)化問題的近似最優(yōu)解。為評估該方法的效果，將流量需求和實(shí)際拓?fù)鋵?dǎo)入規(guī)劃模型求得局部最優(yōu)解，并與所提出的啟發(fā)式算法及其他模型進(jìn)行了比較。結(jié)果顯示，該權(quán)衡模型及啟發(fā)式算法能夠有效地優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)功耗和實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡。同時(shí)，相比于權(quán)衡模型，該啟發(fā)式算法具有