avatar avatar 我的文献 网络虚拟化资源管理及虚拟网络应用研究 作者 杨宇 单位 北京邮电大学 导师 陈山枝 关键词 网络虚拟化; 资源管理; 博弈论; 快速重路由; 组播
摘要
网络虚拟化作为解决当前互联网发展僵化问题的有效方法,近年来得到了越来越多的研究人员的关注。网络虚拟化旨在构建出完全虚拟化的网络环境,通过抽象、分配和重构机制在公共的网络基础设施上构建出共存但相互隔离的虚拟网络。虚拟网络完全控制自身的虚拟资源,可以根据业务和需求制定网络架构和网络协议,并可以根据网络环境的动态变化实时调整节点资源和链路资源,从而实现对网络资源的可管可控性。作为构建下一代互联网的关键技术,网络虚拟化使得虚拟网络的实现和应用具有更大的灵活性,但是也加大了资源管理的难度。同样地,网络虚拟化概念的提出为解决现有的网络问题提供了新的思路和角度,但是怎样实现网络虚拟化并且将网络虚拟化与现有问题进行结合也是研究的难点。本文从网络虚拟化资源管理和虚拟网络技术的应用角度出发,以提高网络资源的性能和使用虚拟网络解决和优化传统网络中路由技术为目的,构建网络虚拟化环境中高效合理的资源管理模型和实现基于虚拟网络的路由优化应用系统。在研究虚拟网络的资源管理问题时,引入经典博弈论的理论方法拓宽问题的思路。考虑了底层网络收益、虚拟网络收益问题,针对不同的应用场景,提出了两种网络虚拟化环境中资源管理的方法。通过理论证明和仿真实验相结合的方法,分析并验证了相应算法和机制的性能。在应用网络虚拟化技术解决传统网络中的路由问题中,针对现有的IP层故障恢复问题和组播方案问题,分别提出了基于OpenFlow的网络快速重路由方案和一种集中式组播框架机制,通过搭建实验原型,验证了方案的可行性和性能。具体地,本文的工作主要包括以下几部分:(1)本文提出了一种同时满足底层网络和虚拟网络收益最大化的资源定价和分配方案。在网络虚拟化环境中,利益博弈牵涉到虚拟网络,底层网络和用户等多个方面。如何在最大化底层网络收益的同时解决虚拟网络对底层资源需求是需要重点关注的问题。本文将底层网络对资源的定价和虚拟网络对资源的请求抽象为一个Stackelberg博弈问题,分别设计了底层网络和虚拟网络基于效用和花费的收益函数,给出了在完全信息状态下底层网络和虚拟网络各自收益最大时的最优策略,同时研究了底层网络和虚拟网络在集中决策下的收益情况,并提出了一种转移支付的方案,使得所有参与者的收益比单独决策情况下更大。在不完全信息决策模型下,理论证明了虚拟网络之间非合作博弈的纳什均衡点的存在,并给出了一个基于边际效用的迭代算法。最后通过数值仿真模拟了迭代过程,分别得到了虚拟网络和底层网络的最佳策略,取得了博弈的均衡解。(2)从虚拟网络的角度考虑对底层网络资源选择的问题,将虚拟网络对底层网络中物理路径的自主选择抽象成一个演化博弈问题,将选择相同物理路径的虚拟网络抽象成一个群体,群体中的虚拟网络通过反复博弈学习来最终选择一条效用最优的物理路径。利用模仿者动态方程分析群体中选择不同底层网络策略的比例动态变化,并证明了模仿者动态是底层资源动态选择博弈的合理策略更新机制。应用势博弈理论分析了虚拟网络对底层网络资源选择的演化过程,给出了博弈的势函数,理论证明了演化的结果会收敛到一个稳定状态,此时每个虚拟网络都选择了最优的策略。最后提出了一个算法,仿真模拟了虚拟网络对底层网络资源的选择过程,在不同的初始策略分布下,经过不断演化,虚拟网络都收敛到了稳定点,同时模拟了演化过程中系统总体效用的变化情况,在达到演化平稳点的同时系统效用也达到了最优,与理论分析的结果相一致。(3)研究网络层故障特点及现有的网络层网络故障恢复技术,提出了基于OpenFlow技术的网络快速重路由方案。该方案将虚拟网络作为解决网络故障的手段,构建OpenFlow网络和IP网络共存的网络环境,将OpenFlow网络作为可以实现任意转发的底层网络,将IP网络作为底层网络的一个虚拟网络,该方案把IP层网络故障问题转移到底层网络解决。通过构建故障快速检测协议,在网络发生故障后,能够快速检测到故障并为受影响的路径构建备份,从而保证数据业务的稳定传输。整个系统划分为三个平面,控制管理平面、路由控制转发平面和OpenFlow转发平面,在路由协议收敛期间由控制平面为受故障链路影响的最短路径计算备份,并由OpenFlow转发平面完成对受影响数据的转发。最后通过原型实验验证了该解决方案的可行性和性能,实验结果表明,在发生链路故障后,基于OpenFlow的网络快速重路由方案在平均丢包率方面和Not-via address的性能基本相似,同时,在故障链路不影响网络连通性的情况下,能够对单链路故障进行100%的保护。(4)针对IP组播部署受限和应用层组播效率低下的问题,提出了一种层次化的、转发节点分群管理的集中式组播框架,通过解耦合传统组播路由器的管理和转发功能,部署专用控制服务器实现组播管理,转发节点根据服务器下发的规则转发数据。服务器之间采用Full-Mesh连接结构,转发节点分群和集中管理模式有效提高组播的转发能力。定义了控制器间通信的消息格式,给出了组播树的构建与维护算法。最后通过仿真实验和原型实验评价了组播框架的性能,与传统的组播协议PIM-SM进行了比较,结果显示该方案能有效地减少组播包的传输时延,并在成员的加入和退出时延方面具有明显的优势,同时相对于组播数据来说,本方案有着较小的协议开销。
下载 cnki {{liketext}}
©2018 - iData {{ message }} 关闭