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未来网络虚拟化资源管理机制研究

作　者: 孙晓川
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: 网络虚拟化虚拟化资源管理虚拟化资源分配多维博弈网络流量预测回声状态网络
分类号: TP393.01
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

互联网经过几十年的发展,已成为当今世界上覆盖范围最广、规模最大、信息资源最丰富的全球信息基础设施。然而,随着网络规模的不断扩大以及新兴网络通信技术和互联网业务的发展,传统互联网的“僵化”问题逐渐凸显,已经不能适应未来网络的可持续发展,主要表现在可扩展性、可管可控可测性、安全性、可移动性、绿色节能等方面。为此,国内外积极开展未来网络理论的研究工作,涉及未来网络体系结构、网络虚拟化技术、网络测量与预测等研究领域。为了从根本上解决当前互联网面临的问题,本论文从网络虚拟化资源管理架构、虚拟化资源分配机制和网络流量预测算法三个方面对未来网络虚拟化资源管理进行深入的研究,主要研究内容及创新包括：(1)针对虚拟化资源管理架构可扩展性不强、自治性差、缺乏测量感知能力等问题,本文提出了一种基于预测的智能化分布式虚拟化资源管理架构(IDP-VRMA),采用分层分域的管理策略,实现了对本管理域的“集中式管理和分布式控制”。每个管理域中的管理系统负责接收虚网请求、注册、虚网拓扑分割以及与其他管理域的管理系统联系完成跨域的虚拟化资源分配；集成在底层网络节点内的智能控制器可以自治地执行资源分配、故障修复、威胁处理等；知识处理部分实时监控整个管理域内的网络运行情况,挖掘出有效的知识信息,从而为管理系统和智能控制器执行相关的管理和控制策略提供必要的依据。该架构有效地解决可扩展性问题,自治地实现虚拟化资源配置、网络故障和威胁处理,并且具备测量感知能力,大大提高了虚拟化资源分配的有效性和可靠性。(2)在IDP-VRMA架构中,要实时地为动态到达的属于不同SPs的众多虚网请求分配底层网络资源,这些虚网请求有着不同的拓扑结构,以及对多种异构资源的需求和约束,使得多个VNs之间以及与InPs之间存在着复杂的关系,即多个VNs同时竞争底层网络多个组件中的多种资源。为了建模该复杂关系,本文提出了一种基于多维非合作博弈的虚拟化资源分配机制,通过效用函数、价格函数、拥塞函数三部分建模了多维非合作博弈模型中各虚网的总支付函数,并证明了该模型的多维Nash均衡的存在性和唯一性。仿真结果表明,该模型在博弈的各个领域内能够达到多维Nash均衡,有效地抑制VNs的自私行为,公平、合理、高效地分配网络虚拟化资源。(3) IDP-VRMA虚拟化资源管理架构下,需要一种稳定、快速并具有良好预测性能的网络流量预测算法。针对这一问题,本文提出了一种具有环形反馈动态池结构的确定回声状态网络(ALR),并应用到网络流量预测中。通过在最简单环形动态池中相邻的神经元之间引入邻接反馈,构建了该模型的动态池,并且设置其输入权值绝对值和内部权值相等,都为r,因此仅仅需要调节一个自由参数,极大地简化了回声状态网络的结构。通过该模型的状态更新方程和输出方程,进一步证明了其良好的记忆能力。仿真结果表明,该模型能够很好地刻画网络流量的自相似性,具有良好的预测性能。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
第一章绪论  12-22
  1.1 研究背景  12-17
  1.2 课题来源及研究意义  17-19
    1.2.1 课题来源  17-18
    1.2.2 研究意义  18-19
  1.3 论文主要贡献  19-20
  1.4 论文结构安排  20-22
第二章未来网络关键技术  22-34
  2.1 引言  22
  2.2 网络虚拟化  22-27
    2.2.1 网络虚拟化环境  22-24
    2.2.2 架构概述  24-25
    2.2.3 网络虚拟化设计目标  25-26
    2.2.4 网络虚拟化关键研究方向  26-27
  2.3 网络流量数据分析与预测  27-32
    2.3.1 网络流量特性分析  28-30
    2.3.2 网络流量预测  30-31
    2.3.3 网络流量预测的意义  31-32
  2.4 本章小结  32-34
第三章基于预测的智能化分布式虚拟化资源管理架构  34-54
  3.1 引言  34
  3.2 现有资源管理架构研究现状  34-41
    3.2.1 未来网络体系结构研究路线概述  34-35
    3.2.2 典型网络虚拟化资源管理架构  35-40
    3.2.3 未来网络体系结构总结  40-41
  3.3 IDP-VRMA网络虚拟化资源管理架构设计  41-51
    3.3.1 架构设计需求  41-42
    3.3.2 总体框架  42-43
    3.3.3 功能组成  43-46
    3.3.4 IDP-VRMA虚拟化资源分配  46-48
    3.3.5 优势分析  48-51
  3.4 本章小结  51-54
第四章基于多维博弈论的虚拟化资源分配机制研究  54-74
  4.1 引言  54
  4.2 虚拟化资源分配研究现状  54-56
  4.3 多维博弈论  56-60
    4.3.1 多维博弈及其特征  56-57
    4.3.2 多维博弈概念及数学描述  57-59
    4.3.3 多维Nash均衡  59-60
  4.4 基于多维博弈论的虚拟化资源分配机制  60-72
    4.4.1 问题提出  60-62
    4.4.2 系统建模  62-64
    4.4.3 多维Nash均衡分析  64-67
    4.4.4 性能评估  67-72
  4.5 本章小结  72-74
第五章基于回声状态网络的网络流量预测  74-102
  5.1 引言  74
  5.2 网络流量预测研究现状  74-77
    5.2.1 研究现状  74-77
  5.3 回声状态网络  77-82
    5.3.1 回声状态网络的基本结构与特征  77-79
    5.3.2 回声状态网络的关键参数  79-80
    5.3.3 基于回声状态网络的预测流程  80-81
    5.3.4 基于回声状态网络的时间序列预测存在的问题  81-82
  5.4 具有环形动态池结构的确定回声状态网络  82-95
    5.4.1 ALR建模  83-84
    5.4.2 ALR记忆能力  84-86
    5.4.3 实验结果和性能评估  86-95
  5.5 基于ALD模型的网络流量预测  95-100
  5.6 本章小结  100-102
第六章结束语  102-106
  6.1 论文工作总结  102-103
  6.2 未来工作展望  103-106
附录A 引理5-1的证明  106-110
附录B 缩略语表  110-112
参考文献  112-120
致谢  120-122
攻读学位期间发表的学术论文目录  122

未来网络虚拟化资源管理机制研究

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