基于光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)格與傳輸控制協(xié)議研究.pdf

1、網(wǎng)格將地理上分散的、屬于不同管理機構(gòu)的各種資源通過網(wǎng)絡(luò)連接起來，提供給用戶一個高可靠、高性能、可透明訪問的統(tǒng)一計算環(huán)境，被稱為是繼互聯(lián)網(wǎng)和Web之后的第三個信息技術(shù)浪潮，有著廣泛的應(yīng)用前景。隨著網(wǎng)格應(yīng)用的擴大、大規(guī)模計算和數(shù)據(jù)密集型業(yè)務(wù)的開展，越來越多的數(shù)據(jù)需要在網(wǎng)格節(jié)點間傳遞，因此要求網(wǎng)絡(luò)具有很好的傳輸性能，否則就會成為數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i。近些年來光通信技術(shù)尤其是波分復(fù)用(WDM)技術(shù)的的飛速發(fā)展，為這一問題的解決提供了契機。WDM光網(wǎng)絡(luò)

2、有三種交換方式：光線路交換(OCS)、光分組交換(OPS)和光突發(fā)交換(OBS)。其中OBS網(wǎng)絡(luò)具有交換粒度適中、控制靈活、等待時間小等優(yōu)點，被認為是一種很有發(fā)展前途的網(wǎng)格底層架構(gòu)解決方案，近年來OBS網(wǎng)格引起了國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。
　　 OBS網(wǎng)格的實現(xiàn)涉及到很多關(guān)鍵理論與技術(shù)問題。體系結(jié)構(gòu)是網(wǎng)格的骨架，只有建立合理的OBS網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)，才能使OBS網(wǎng)格有效發(fā)揮作用。網(wǎng)格最根本的目的就是要共享資源，以便獲得前所未有的使用

3、方便性和超強能力。OBS網(wǎng)格的強大能力最終需要由網(wǎng)格應(yīng)用的運行性能來體現(xiàn)。為了獲得較高的運行性能，就需要有優(yōu)秀的資源分配策略和資源分配算法，以便在應(yīng)用和資源之間作出合理匹配。在網(wǎng)格環(huán)境中，所有資源都虛擬化成服務(wù)的形式，服務(wù)是網(wǎng)格系統(tǒng)的核心。由于傳統(tǒng)網(wǎng)格嚴格的分層設(shè)計不能很好地適應(yīng)無緩存、高丟包率的OBS網(wǎng)格環(huán)境，因此服務(wù)質(zhì)量(QoS)的保證成為了一個迫切需要解決的問題。現(xiàn)有的網(wǎng)格系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議主要是基于互聯(lián)網(wǎng)的TCP協(xié)議。然而在OB

4、S網(wǎng)格環(huán)境中，數(shù)據(jù)是通過OBS網(wǎng)絡(luò)進行傳輸?shù)?。由于目前OBS網(wǎng)絡(luò)中的核心節(jié)點缺少成熟的光緩存，競爭引起的突發(fā)丟失往往被誤認為是擁塞引起的，導(dǎo)致TCP吞吐量和公平性的下降。為了充分利用OBS網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢來更好地支持上層網(wǎng)格應(yīng)用，需要深入研究OBS網(wǎng)絡(luò)與TCP的兼容性和支持度。本論文在對OBS網(wǎng)格基本概念、特性以及體系結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，對OBS網(wǎng)格資源分配技術(shù)、跨層QoS以及傳輸控制機制等關(guān)鍵支撐技術(shù)進行了研究。主要包括以下幾個方面：
　

5、　 1、提出了一種集中式的OBS網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu)考慮了光網(wǎng)絡(luò)資源和其他網(wǎng)格資源的協(xié)調(diào)融合，主要由OBS網(wǎng)格邊緣路由器、OBS網(wǎng)格核心路由器以及傳統(tǒng)OBS路由器組成。詳細描述了OBS網(wǎng)格各組成部分的功能定義以及OBS網(wǎng)格的運行機制，其中OBS網(wǎng)格核心路由器作為一個中心控制節(jié)點，執(zhí)行資源管理和分配，能夠從全局的角度對網(wǎng)格資源進行優(yōu)化配置。并且OBS網(wǎng)格核心路由器的實現(xiàn)，只需在現(xiàn)有OBS網(wǎng)絡(luò)的一個(或部分)核心節(jié)點上加入針對網(wǎng)格資源

6、分配的高層即可，因此對整個網(wǎng)絡(luò)的改動相對較小，較易實現(xiàn)。此外，在本文提出的集中式OBS網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)中，用戶請求信息直接通過控制信道傳輸，開銷小。就小型網(wǎng)格環(huán)境或作為大型網(wǎng)格的某些局部來說，該方案不失為一個合理的選擇。
　　 2、針對傳統(tǒng)網(wǎng)格中的資源分配策略不能滿足OBS網(wǎng)格的要求，提出了聯(lián)合分配OBS網(wǎng)絡(luò)資源和網(wǎng)格應(yīng)用資源，同時盡可能最大化網(wǎng)格用戶和資源提供者利益的OBS網(wǎng)格資源分配策略。利用蟻群優(yōu)化算法的正反饋性、并行性以及擴

7、展性適合于頻繁變化的OBS網(wǎng)格環(huán)境，對基本蟻群算法進行了擴展，設(shè)計了基于多目標蟻群優(yōu)化的OBS網(wǎng)格資源分配算法。在多目標蟻群優(yōu)化算法中，給出了算法參數(shù)選取的基本原則，可以對相關(guān)參數(shù)進行最佳設(shè)定。最后對多目標蟻群優(yōu)化算法的性能進行了仿真，結(jié)果驗證了該資源分配策略的有效性。
　　 3、針對傳統(tǒng)網(wǎng)格嚴格的分層設(shè)計不能很好地適應(yīng)無緩存、高丟包率的OBS網(wǎng)格環(huán)境，設(shè)計了跨層OBS網(wǎng)格QoS體系結(jié)構(gòu)，包括應(yīng)用層QoS、中間層QoS以及OBS

8、網(wǎng)絡(luò)層QoS。各層除了提高自身的性能外，還與其他層共享信息來提升各個層的適應(yīng)性，有利于充分利用網(wǎng)格資源。為了驗證跨層設(shè)計的性能，提出了基于QoS的跨層OBS網(wǎng)格資源分配算法。該算法對網(wǎng)絡(luò)資源的TCP擁塞控制以及計算資源的處理器分配進行聯(lián)合設(shè)計，能夠根據(jù)網(wǎng)格用戶的需求和當前網(wǎng)格環(huán)境的狀態(tài)，動態(tài)修改網(wǎng)格資源的特性參數(shù)，以便用戶效用最大，在一定程度上滿足了上層網(wǎng)格應(yīng)用QoS的需求，提高了OBS網(wǎng)格的整體性能。
　　 4、針對OBS網(wǎng)絡(luò)

9、中TCP性能較低從而影響了它對上層網(wǎng)格應(yīng)用的支持能力，提出了基于可變線性增加/乘性下降(VAIMD)的TCP擁塞控制機制。該機制聯(lián)合OBS通路上的丟包率和跳數(shù)用于區(qū)分網(wǎng)絡(luò)擁塞和隨機競爭，通過調(diào)整線性增加/乘性下降算法中的參數(shù)(α，β)來動態(tài)控制擁塞窗口，具有更合適的粒度和更好的靈活性。從理論上推導(dǎo)了VAIMD中參數(shù)α和β關(guān)系式，構(gòu)造了基于VAIMD的OBS網(wǎng)絡(luò)TCP吞吐量模型，詳細討論了α和β中相關(guān)系數(shù)值的選取。為了驗證VAIMD對上層