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基于OpenFlow的分布式网络中负载均衡路由的研究

作　者: 龙慧
导　师: 过敏意
学　校: 上海交通大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: OpenFlow 负载均衡路径选择胖树拓扑结构
分类号: TP393.02
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着互联网走入人们的日常生活，计算机网络特别是云技术的不断进步与发展，使得如何提高互联网的综合性能已成为时下热门的话题和关注的焦点，如何能适应网络使用环境迅速发生的变化成为科研人员需要攻克的难点。得益于技术的飞跃，计算机和存储价格都大幅下降，而基础IT设施的提升却成了现在的首要问题。显然网络领域亦是如此，如何在现有的网络设备及协议基础之上，对已有网络进行创新性试验变得越来越困难。近年来OpenFlow技术的提出为网络创新研究开辟了又一新篇章，OpenFlow也逐渐成为引发下一波网络革命的关键技术。由于网络应用的激增和快速成长，如何在数据中心网络中均衡负载是人们急需解决的问题。OpenFlow协议通过给用户提供一种方便使用的，可编程操作的网络流控制方法，已经成为了一项用于解决负载均衡问题的关键技术。但是在目前来看，一些已有的基于OpenFlow的负载均衡技术都关注于网络初始化阶段的流状态，这种较为静态的方式并没有考虑到网络流在传输过程中可能遇到的种种问题，如网络参数的变化、链路状态的突变等等。为了解决这一问题，本文首先提出了一种全新的单跳动态换路算法（single-hop LABERIO）来实时地、全局地均衡中心化控制分布式网络中的负载。它可以很好的整合和利用整个网络的信息，通过一个中心控制器，使用一定的算法，监控全局的链路资源使用状态，从而动态地调整流的路径。在这种情形下，当负载均衡状态监视参数超过经验阈值时，该情况将被反映给中心控制器，之后，中心控制器再对计算出的最大负载链路上的最大流进行调度。另外，初始状态的流选路采取Max-MinCapacity算法，即从每条可用路径的最小可用带宽中选出最大值，对应的路径获得最高优先级，作为初始选路规则。然而这种单跳换路方法的缺点也是很明显的，当网络拓扑结构不是全相联，或者可替代单跳路径少而长时，换路的代价将激增。针对这些缺点，我们又提出了一种多跳动态换路算法。当链路负载失衡时，找出一条完整的最大流，将其整条路径替换。在数据传输过程中，我们周期性地将最拥挤的N跳放入一个目标集中。所谓最大流，即覆盖该目标集的最大子集的数据流。这种算法对于胖树型拓扑网络的负载均衡效果较为明显。综上所示，本文提出了适用于两种网络拓扑结构的动态负载均衡方法，这两种方法都充分利用了OpenFlow交换机和协议的特性，并与其他典型路由算法（包括贪心和轮询）相较有更高的性能，显著减少了端到端的任务传输时间。最后，我们通过实验来验证所提出的算法性能，并与其他一些现有方案进行比较分析。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-14
第一章绪论  14-24
  1.1 计算机网络的发展史  14-19
    1.1.1 第一代计算机网络  15-17
    1.1.2 第二代计算机网络  17
    1.1.3 第三代计算机网络  17
    1.1.4 第四代计算机网络  17-18
    1.1.5 下一代网络  18-19
  1.2 网络路由交换的发展现状  19-21
    1.2.1 L3 路由交换及技术发展历程  19-20
    1.2.2 软路由技术的引入  20-21
    1.2.3 OpenFlow 交换机技术  21
  1.3 负载均衡的介绍  21-22
    1.3.1 静态负载均衡  22
    1.3.2 动态负载均衡  22
  1.4 本文内容结构  22-23
  1.5 本章小结  23-24
第二章基本概念和技术背景  24-50
  2.1 负载均衡技术  24-26
    2.1.1 负载均衡技术的分类及应用  24-25
    2.1.2 负载均衡面临的挑战  25-26
  2.2 NOX 及其他主流控制器  26-44
    2.2.1 NOX 的整体架构  26-29
    2.2.2 NOX 组件的主要分类  29
    2.2.3 NOX 组件系统的编程方法  29-33
    2.2.4 NOX 的事件系统  33-37
    2.2.5 其他主流控制器的比较  37-44
  2.3 OpenFlow 相关概念  44-49
    2.3.1 OpenFlow 技术的起源和发展史  44-46
    2.3.2 OpenFlow 交换机  46-47
    2.3.3 OpenFlow 协议操作  47-48
    2.3.4 OpenFlow 网络  48-49
  2.4 本章小结  49-50
第三章基于 OpenFlow 的分布式网络中负载均衡路由的研究  50-64
  3.1 研究背景  50-52
  3.2 相关概念  52-54
    3.2.1 负载均衡  52-53
    3.2.2 SDN 架构  53
    3.2.3 Open vSwitch  53-54
  3.3 网络模型和问题描述  54-63
    3.3.1 模型建立  54-56
    3.3.2 方法过程  56-59
    3.3.3 问题描述  59
    3.3.4 负载均衡的路由算法  59-63
  3.4 本章小结  63-64
第四章实验与性能分析  64-69
  4.1 模型介绍  64-65
  4.2 实验参数和平台搭建  65
  4.3 实验结果与分析  65-68
  4.4 本章小结  68-69
第五章结论与展望  69-70
  5.1 主要结论  69
  5.2 研究展望  69-70
参考文献  70-73
致谢  73-74
附录 A 攻读学位期间发表的学术论文目录  74-75
附录 B 攻读学位期间参与的项目  75

基于OpenFlow的分布式网络中负载均衡路由的研究

内容摘要

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