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基于负载平衡的新一代核心网络技术研究

作　者: 杨帆
导　师: 刘韵洁
学　校: 北京邮电大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 新一代核心/骨干网络负载平衡网络虚拟化交换结构路由策略虚拟网络映射
分类号: TN915.02
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
下　载: 313次
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内容摘要

随着Internet的广泛应用和高速发展,用户对网络的性能、质量和业务的要求与日俱增,网络资源的消耗和网络拥挤日见显著。如何为用户提供多样化的服务质量保障,如何使网络资源分配更合理、利用率更高效,是网络研究面临的挑战。为此,对新型网络体系结构、网络技术和网络设备改造的研究在世界各国纷纷开展,虚拟化网络、负载平衡网络等新型网络架构、网络技术不断涌现。然而,这些新技术目前还缺乏成形的网络解决方案和相关技术算法,如何将他们具体化,推进他们在网络中的应用,是研究的热点。新型网络技术的研究将涉及到网络中的多个方面,随着网络和业务需求的多样性发展,研究所涉及的问题也非常广泛。本论文分别从支持区分QoS的高性能路由器交换结构的研究、基于负载平衡思想的路由策略的研究和虚拟网络与现实物理网络之间的映射算法的研究等几个方面进行了探讨。具体为：1、目前支持区分QoS的高性能路由器交换结构存在中心算法调度、反馈机制、结构复杂等问题。本文利用PPS结构降速特点和负载平衡思想,并参考虚拟化技术思路,设计一种支持区分QoS的高性能路由器交换结构：Weighted-Layer-Assignment Parallel Packet Switch (WLA-PPS)。WLA-PPS基于权重为不同QoS类包流分配相区分的交换层,并仅需用轮转,就实现了分布式、区分QoS支持和降速交换。经理论推导和仿真验证：WLA-PPS可以对不同QoS类包流进行单独的测量、管理和控制,并能在拥塞情况下保证高QoS包流的交换稳定性、带宽和时延性,且比基于中心调度和反馈的结构拥有更好的吞吐量。WLA-PPS实现复杂度低、不需要中心控制和反馈、简易动态可调,为新一代高性能路由器交换结构设计和虚拟化框架下的核心路由器交换结构实现提供了思路,研究成果已申请国家发明专利。2、Valiant Load-balancing (VLB)路由存在全网逻辑全互连(Full Mesh)、中心节点(网)、拓扑单一等问题,以至难以推广。为解决这些问题,本文受蜂窝网中小区划分的结构的启发,设计两种基于VLB的路由算法：Transit-Transit (TT)-VLB路由和Transit-Peering (TP)-VLB路由。TT-VLB和TP-VLB将核心/骨干网络中的节点分为多个小区域,采用不同的逻辑连接和路由方式,仅需局部逻辑全互连、无中心节点(网)要求、适用于广泛的拓扑结构。经理论推导和仿真验证：TT-VLB具有接近VLB的吞吐量、抗毁能力和更优的时延性；TP-VLB保持了一定的VLB性能,拥有较少的跳数、较短的路径。为VLB路由的应用拓展提供思路。3、虚拟网映射算法中存在匹配方程求解复杂、计算花销大、缺乏具体路径选择方法等问题。为解决这些问题提出了利用负载平衡和小区分划的思想,设计一种虚拟网映射算法：Valiant Load-balancing-Virtual Network Embedding (VLB-VNE)。VLB-VNE将核心/骨干网络中的节点分为多个小区域,小区域内采用逻辑全互连和负载平衡路由,小区域间利用最短路径路由和贪婪式迭代匹配算法完成虚拟网映射。经理论推导和仿真验证：VLB-VNE构建合理、易被映射的现实网络,并将节点和链路的映射统一模块化,映射匹配简单,计算花销小、路由路径简易明确,并拥有负载平衡路由的优秀时延和吞吐量性能。4、缺乏一种简易的对PPS等高性能路由器交换结构仿真方法制约着高性能路由器交换结构的研究。为此,提出一种基于NS2软件的搭建PPS结构仿真平台的方法。通过修改NS2软件中的构件库和包转发进程来实现对新型交换结构的仿真模拟,构建起新型高性能路由器交换结构仿真验证平台。这种构建新型交换结构仿真平台的方法扩展性好、开发难度小、简单易于实现。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-9
目录  9-12
第一章绪论  12-25
  1.1 研究背景  12-16
    1.1.1 集成服务、区分服务与核心无状态调度策略  12-13
    1.1.2 虚拟化网络技术  13-15
    1.1.3 负载平衡网络技术  15-16
  1.2 研究动机及意义  16-20
  1.3 本文的主要贡献  20-21
  1.4 本文的结构安排  21-22
  1.5 本章参考文献  22-25
第二章新一代核心网络技术  25-50
  2.1 引言  25
  2.2 网络计算学及其应用  25-33
    2.2.1 网络微积分基础  25-29
    2.2.2 网络微积分在集成服务中的应用  29-31
    2.2.3 网络微积分在区分服务中的应用  31-32
    2.2.4 网络微积分在网络调度策略中的应用  32-33
    2.2.5 网络微积分在新一代网络技术中的应用  33
  2.3 网络虚拟化技术  33-38
    2.3.1 虚拟化技术在交换结构中的应用  33-35
    2.3.2 虚拟化技术在网络框架和选路算法中的应用  35-38
  2.4 网络负载平衡技术  38-46
    2.4.1 负载平衡技术在交换结构中的应用  38-42
    2.4.2 负载平衡技术在网络框架和选路算法中的应用  42-46
  2.5 本章小结  46-47
  2.6 本章参考文献  47-50
第三章基于负载平衡的支持区分QoS交换结构研究  50-74
  3.1 引言  50
  3.2 支持区分服务质量交换结构概述  50-55
  3.3 WLA-PPS结构  55-60
    3.3.1 包流均衡单元  57-58
    3.3.2 区分交换单元  58-60
  3.4 WLA-PPS性能分析  60-67
  3.5 仿真结果与分析  67-70
  3.6 本章小结  70-71
  3.7 本章参考文献  71-74
第四章基于负载平衡的核心网路由算法研究  74-97
  4.1 引言  74
  4.2 VLB路由策略概述  74-76
  4.3 TT-VLB路由与TP-VLB路由  76-81
    4.3.1 Transit小区与Peering小区  76-78
    4.3.2 TT-VLB路由算法  78-79
    4.3.3 TP-VLB路由算法  79-80
    4.3.4 TT-VLB和TP-VLB中小区域划分举例  80-81
  4.4 TT-VLB与TP-VLB路由性能分析  81-90
    4.4.1 核心节点吞吐量与逻辑链路容量关系  81-83
    4.4.2 抗毁能力分析  83-87
    4.4.3 节点具有同一吞吐量能力时的网络的扇出平衡性  87-88
    4.4.4 节点具有不同一吞吐量能力时的网络的扇出平衡性  88-90
  4.5 仿真分析  90-94
  4.6 本章小结  94-95
  4.7 本章参考文献  95-97
第五章基于负载平衡的虚拟网映射算法研究  97-113
  5.1 引言  97
  5.2 虚拟网络映射算法概述  97-102
  5.3 VLB-VNE算法  102-105
    5.3.1 VLB-VNE网络结构  102-103
    5.3.2 VLB-VNE映射方式和路由路径  103-105
  5.4 VLB-VNE算法性能分析  105-107
    5.4.1 VLB-VNE算法的线性规划  105-106
    5.4.2 VLB-VNE算法的复杂度  106
    5.4.3 VLB-VNE算法的开销  106-107
  5.5 仿真分析  107-110
  5.6 本章小结  110
  5.7 本章参考文献  110-113
第六章并行包交换结构仿真平台  113-122
  6.1 引言  113
  6.2 NS2并行包交换仿真软件平台  113-121
    6.2.1 NS2总体框架  113-114
    6.2.2 重要构件库  114-116
    6.2.3 并行包交换结构平台  116-121
  6.3 本章参考文献  121-122
第七章结束语  122-125
  7.1 工作总结  122-124
  7.2 未来研究的设想  124-125
缩略语索引  125-127
致谢  127-128
攻读博士学位期间相关专利及论文  128

基于负载平衡的新一代核心网络技术研究

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