數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中路由與資源分配問題研究.pdf

1、隨著網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用不斷增多，以及大數(shù)據(jù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的基于單個主機(jī)的計算方式開始不能滿足用戶的需要。在這種情況下，有越來越多的用戶將自己的任務(wù)外包到云端或數(shù)據(jù)中心來進(jìn)行處理。而隨著按需付費(fèi)(pay-as-you-go)方式的出現(xiàn)，這一趨勢變得更加明顯。這造成了數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中流量的急增。為了給用戶提供更好，性能更穩(wěn)定的服務(wù)，一個關(guān)鍵問題就是如何對數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，使網(wǎng)絡(luò)中的流量能被更好地傳輸。本文將圍繞如何通過控制數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的流量路由

2、及資源分配，來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能這一主線進(jìn)行研究。本文的研究主要集中在以下四個方面：
　　1.數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中流量的路由與調(diào)度
　　考慮到數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中一個任務(wù)常常被拆分成多個子任務(wù)來完成，那么這些子任務(wù)之間的通信是有語意相關(guān)性的。因此應(yīng)該以這樣有語義相關(guān)性的一組流(也叫一個coflow)為基本單位進(jìn)行優(yōu)化，即優(yōu)化coflow的平均完成時間。對于這一問題，本文設(shè)計出 RAPIER系統(tǒng)，通過同時控制網(wǎng)絡(luò)中流量的路由和調(diào)度，來優(yōu)化全網(wǎng)所

3、有coflow的平均完成時間。除此之外，本文還設(shè)計出RAPIER的原型系統(tǒng)。小規(guī)模的原型系統(tǒng)實驗和基于C++模擬器的大規(guī)模的數(shù)值仿真都證明，RAPIER系統(tǒng)可以大大降低網(wǎng)絡(luò)中coflow的平均完成時間。
　　2.數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量工程中的多目標(biāo)優(yōu)化
　　在對數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)進(jìn)行路由控制，即進(jìn)行業(yè)務(wù)量工程時，網(wǎng)絡(luò)管理者通常會想要網(wǎng)絡(luò)中的多個目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，如負(fù)載均衡和能量效率。但是，通常情況下，這些目標(biāo)并不可能同時達(dá)到最優(yōu)。于

4、是，如何在多目標(biāo)優(yōu)化時對不同的目標(biāo)進(jìn)行公平折中就是一個需要考慮的問題。本文將用負(fù)載均衡和能量效率這兩個目標(biāo)的優(yōu)化為例，從博弈論的觀點來闡述如何在數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)量工程中進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。為了完成對這兩個目標(biāo)的公平折中，本文引用納什議價的框架，建立威脅值博弈模型，來對網(wǎng)絡(luò)中的流量路由進(jìn)行協(xié)商。理論分析和實驗仿真都證明，本文中提出的折中方案能兼顧負(fù)載均衡和能量效率之間的公平性。同時，本文的折中方案還可以為一般的多目標(biāo)優(yōu)化問題提供求解思路。

5、　　3.數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中拓?fù)渑c虛擬機(jī)放置的聯(lián)合優(yōu)化
　　為了解決數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中流量不對稱造成的網(wǎng)絡(luò)資源浪費(fèi)，有研究者提出使用動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪磉m應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的流量分布。同時，數(shù)據(jù)中心管理者還可以通過改變虛擬機(jī)的放置來改變業(yè)務(wù)量矩陣，從而減少網(wǎng)絡(luò)中的流量，提高網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性。本文通過對這兩種方案進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，來提高網(wǎng)絡(luò)性能，增加網(wǎng)絡(luò)流量可擴(kuò)展性(即減小網(wǎng)絡(luò)使用容量)。本文首先將問題建模成一個混合整數(shù)規(guī)劃分題，并通過拉格朗日松弛分解，將該問題分解

6、成兩個子問題。然后對兩個子問題分別提出有效的啟發(fā)式算法進(jìn)行求解。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，本文的方法相較于只做拓?fù)鋬?yōu)化或是只做虛擬放置優(yōu)化，可以明顯地提高網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性。
　　4.數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)拓?fù)錆u進(jìn)調(diào)整方案設(shè)計
　　雖然數(shù)據(jù)中心引入動態(tài)拓?fù)淇梢詷O大的改善網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性，承載更多的流量。但是，在拓?fù)渥儞Q過程中可能會造成很大的流量損失，更重要的是，可能會使得有完成時間限制的流量無法在其完成時間限制內(nèi)傳輸完。正是基于這一原因，本文提出一個