網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)下的高性能流量管理研究.pdf

1、網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點之間通常存在多條路徑，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)利用率較高的時候可以通過多路徑算法來避免網(wǎng)絡(luò)擁塞的發(fā)生。為此，網(wǎng)絡(luò)管理員通常在網(wǎng)絡(luò)中部署負(fù)載均衡功能將到達(dá)的流量負(fù)載分配到網(wǎng)絡(luò)中的多條路徑上，進(jìn)而提高網(wǎng)絡(luò)的利用率。
　　傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)下，網(wǎng)絡(luò)管理員通常使用等價多路徑路由技術(shù)將每條流隨機(jī)地分配到一條路徑上。但是，由于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將執(zhí)行多路徑路由發(fā)現(xiàn)功能的控制平面和執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)流量轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)平面耦合在一塊，網(wǎng)絡(luò)管理員需要手動登錄每一臺網(wǎng)絡(luò)設(shè)備并通過專門的控制

2、臺命令來調(diào)整協(xié)議的參數(shù)以保證網(wǎng)絡(luò)行為的正常。
　　基于OpenFlow的軟件定義網(wǎng)絡(luò)將控制平面從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中分離并移動到集中式的控制器上，并由控制器通過下發(fā)流表的方式控制網(wǎng)絡(luò)流量的轉(zhuǎn)發(fā)行為。網(wǎng)絡(luò)管理員可以使用控制器提供的全局網(wǎng)絡(luò)視圖，并在控制器上編程實現(xiàn)更靈活的多路徑路由如流量工程等，而不需要手動配置每一臺網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。但是這種基于集中式控制實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)功能需要較長的時間才能對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化作出響應(yīng)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞等事件的發(fā)生進(jìn)而降低網(wǎng)絡(luò)的

3、利用率。
　　數(shù)據(jù)平面可編程的軟件定義網(wǎng)絡(luò)允許網(wǎng)絡(luò)管理員對數(shù)據(jù)平面進(jìn)行編程以指定網(wǎng)絡(luò)設(shè)備處理數(shù)據(jù)包的方式。特別的數(shù)據(jù)平面可編程的軟件定義網(wǎng)絡(luò)允許執(zhí)行在數(shù)據(jù)平面的網(wǎng)絡(luò)功能接入到有狀態(tài)的內(nèi)存寄存器，用來監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化，并在數(shù)據(jù)平面快速地對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化做出響應(yīng)。但是在實現(xiàn)這樣一個數(shù)據(jù)平面有狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)功能并不是一個簡單的任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)管理員需要仔細(xì)地決定如何分配網(wǎng)絡(luò)功能到分布式的數(shù)據(jù)平面和集中式控制平面上，以及它們之間的交互方式以保證網(wǎng)

4、絡(luò)功能的正確執(zhí)行。
　　網(wǎng)絡(luò)管理員通常會根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、面向的用戶、提供的服務(wù)等因素決定需要采用的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（例如校園網(wǎng)采用控制平面和數(shù)據(jù)平面耦合的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商采用控制平面和數(shù)據(jù)平面分離的軟件定義網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)采用數(shù)據(jù)平面可編程的軟件定義網(wǎng)絡(luò)）和需要部署的網(wǎng)絡(luò)功能（例如校園網(wǎng)部署負(fù)載均衡、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商部署流量工程、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)部署流量調(diào)度和負(fù)載均衡）以提高網(wǎng)絡(luò)的性能和用戶的體驗。特別是隨著云計算的普及越來越多

5、的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)部署在數(shù)據(jù)中心，用戶為了接入這些網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需要經(jīng)過不同規(guī)模的面向不同用戶的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，從校園網(wǎng)到Internet到數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)流量需要經(jīng)過多個異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境才會完成傳輸。提高用戶體驗的關(guān)鍵在于如何提高用戶的端到端性能，為此需要保證用戶流量經(jīng)過的每一個網(wǎng)絡(luò)都能提供高效的網(wǎng)絡(luò)流量管理功能提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率同時提高用戶的體驗。
　　為了提高異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)流量管理功能的性能，需要分析不同的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)對于部署的網(wǎng)絡(luò)

6、功能帶來的優(yōu)勢以及存在的挑戰(zhàn)，并在分析的基礎(chǔ)上有針對性地設(shè)計相對應(yīng)的解決方案。本文的研究目的是提高不同的網(wǎng)絡(luò)流量管理功能在不同的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)下的性能，重點研究下面的三個內(nèi)容:(1)提高傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)下多路徑負(fù)載均衡算法的的性能（對應(yīng)研究成果1）;(2)提高基于OpenFlow的軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software DefinedNetworking，SDN)，即SDN-OpenFlow，下流量工程的性能（對應(yīng)研究成果2）;(3)提高SDN-可編程數(shù)

7、據(jù)面下流量管理的性能（對應(yīng)研究成果3）。
　　提高傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)下負(fù)載均衡算法的性能:多路徑負(fù)載均衡技術(shù)可以降低突發(fā)的網(wǎng)絡(luò)流量或鏈路故障對網(wǎng)絡(luò)造成的影響，減少網(wǎng)絡(luò)擁塞的發(fā)生。但是多路徑負(fù)載均衡技術(shù)需要處理流量分割粒度和數(shù)據(jù)包亂序之間的沖突:細(xì)粒度的流量分割可以提高負(fù)載均衡效果但是會造成TCP流亂序;粗粒度的流量分割可以避免TCP(Transmission Control Protocol)流亂序但是會降低負(fù)載均衡效果。此外，將多路徑負(fù)載

8、均衡技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的分布式網(wǎng)絡(luò)，還需要協(xié)同運行在每一個節(jié)點上的負(fù)載均衡算法。為了使得在分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下提高負(fù)載均衡效果的同時避免對TCP流的性能造成影響，提出了DDMM算法。DDMM算法利用了TCP流的突發(fā)特性以及路徑的傳輸延時差異將網(wǎng)絡(luò)流量均衡地分配到多條路徑進(jìn)行傳輸，同時保證同一個TCP流的數(shù)據(jù)包有序到達(dá)接收端。
　　提高SDN-OpenFlow下流量工程的性能:SDN-OpenFlow簡化了流量工程的實現(xiàn)，但是需要解決SDN

9、控制器處理頻率和網(wǎng)絡(luò)擁塞之間存在的沖突:一方面SDN控制器實時地收集網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)并配置數(shù)據(jù)平面可以避免網(wǎng)絡(luò)擁塞的發(fā)生，但是可能會使SDN控制器和OpenFlow交換機(jī)出現(xiàn)瓶頸;另一方面降低SDN控制器和OpenFlow網(wǎng)絡(luò)之間的交互頻率可能造成突發(fā)的網(wǎng)絡(luò)流量不能及時地被處理，使得網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞。為了提高基于SDN的流量工程處理突發(fā)的網(wǎng)絡(luò)流量的速度，提出了DUCE算法。DUCE算法的核心思路是將處理流量不確定的功能從SDN控制平面剝離并移動到數(shù)

10、據(jù)平面上。因此DUCE算法可以在數(shù)據(jù)平面直接處理突發(fā)的網(wǎng)絡(luò)流量而不需要等待SDN控制器的響應(yīng)并更新配置。DCUE算法利用了OpenFlow協(xié)議的特性在數(shù)據(jù)平面實現(xiàn)了選擇功能:根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量的負(fù)載大小選擇相對應(yīng)的路由方案;通過SDN控制器上執(zhí)行的流量工程算法來指導(dǎo)選擇功能的執(zhí)行避免網(wǎng)絡(luò)擁塞的發(fā)生。
　　提高SDN-可編程數(shù)據(jù)面下流量管理的性能:數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的兩個主要的特點決定了網(wǎng)絡(luò)功能實現(xiàn)的復(fù)雜度:(1)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)流量具有突發(fā)、不可

11、預(yù)測的特點，為了更好的管理這些網(wǎng)絡(luò)流量需要將網(wǎng)絡(luò)功能實現(xiàn)在數(shù)據(jù)平面;(2)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大，在數(shù)據(jù)平面實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能需要處理大規(guī)模的分布式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，這涉及到網(wǎng)絡(luò)功能的分解、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的交互等。SDN雖然可以簡化網(wǎng)絡(luò)功能的實現(xiàn)，但是在集中式控制器上實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)功能很難適用于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò);最近提出的數(shù)據(jù)平面可編程語言雖然簡化了數(shù)據(jù)平面有狀態(tài)的數(shù)據(jù)包處理程序的實現(xiàn)，但是需要詳細(xì)地描述數(shù)據(jù)包的處理模式，而且還需要處理分布武的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。為了簡化