基于SDN网络的视频流智能负载文献综述研究

来源: www.sblunwen.com 作者:lgg 发布时间:2018-03-11 论文字数:36859字
论文编号: sb2018030820112919975 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
本文是一篇文献综述,文献综述根据研究的目的不同,可分为基本文献综述和高级文献综述两种。基本文献综述是对有关研究课题的现有知识进行总结和评价,以陈述现有知识的状况。
本文是一篇文献综述,文献综述根据研究的目的不同,可分为基本文献综述和高级文献综述两种。基本文献综述是对有关研究课题的现有知识进行总结和评价,以陈述现有知识的状况;高级文献综述则是在选择研究兴趣和主题之后,对相关文献进行回顾,确立研究论题,再提出进一步的研究,从而建立一个研究项目。(以上内容来自百度百科)今天硕博网为大家推荐一篇文献综述,供大家参考。
 
第一章 绪论
 
1.1 研究背景及意义
传统 IP 核心的网络架构已经服役了超过四十年。日常生活中,我们使用的网络还是基于四十年前的网络架构。如今,计算机技术突飞猛进,虚拟化技术飞速发展,并且虚拟化占用资源少,虚拟化设备逻辑可变的优势凸显。云服务,云主机等许多的服务已经迁移到虚拟化平台上进行。随着 OpenStack,Docker 等虚拟化容器技术的发展,像云服务等虚拟服务多都能满足需要现代应用对扩展性,兼容性,分散以及迁移的工作需要。这样的需要正是传统网络业务转变的关键。突破以 IP 为核心的网络架构的限制,网络研究人员不得不转向虚拟化平台寻求帮助。网络功能虚拟化的需求迫在眉睫。网络功能虚拟化的研究也逐渐兴起。例如暨南大学的直播平台 Blackboard 平台观看用户达到了已有 47020 人,系统网页访问量最高达到 1524295 次。可见校园远程在线视频教学业务逐渐发展,并且在线高清视频教学,VR 课室等网络教育模式也会成为以后高等教育教学的主流,暨南大学校园网自 1996年开通以来,经过十多年的发展,目前拥有包括中国教育科研网、中国电信、中国联通、中国移动、长城宽带和 IPv6 网等多个网络出口,总出口带宽达 19.33G。现在 4k 视频,VR设备视频传输需要的网络质量要求也在不断的上升。传统网络的转发结构导致交换机、路由器等设备的功能越来越多,结构臃肿,难以处理将来更大的视频流量要求。迫使校园网络设备更新换代速度加快。加上客户端定制需求增多,传统路由器不可能再次增加过多的功能以保证服务质量[1]。如今,网络运营商,应用服务供应商急需寻求一种新的方法解决未来网络传输问题。网络功能虚拟化,软件定义网络的热潮就此展开。SDN(软件定义网络)就是其中的对传统网络架构的一次改进。
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1.2 国内外 SDN 研究现状
SDN 网络,软件定义网络,是新兴的虚拟化网络。它起源于斯坦福的校园网络实验,并且成功的在谷歌广域网中实现了调度任务。它很好的适应了网络功能虚拟化的要求。SDN以革新的网络架构,优势征服了业界巨头。在 Google,微软等软件巨头,以及詹博,思科等硬件巨头的的推动下 SDN 成为了网络功能虚拟化发展的重中之重。并且业界共同成立了ONF(Open Network Foundation)基金会,共同挖掘 SDN 技术潜力。他能够更好的对大流量转发进行调控,对不同客户端定制需求进行定制服务,可扩展性更好。更加强大的是,他不需要对服务的交换机,路由器做更多的设置,改变相应的拓扑结构。ACM 的 SIGCOMM 会议专门成立 workshop 在 HotSDN 研究讨论 SDN 的相关问题。在2013 年业界人士和高校学者就如何从现在传统网络转向新型 SDN 的过程和路径做出了规划[2],同时,高校级的 SDN 控制器 Beacon[3]在 HotSDN 上面发表。而且对于 SDN 专用的编程语言也在研究。SDN 加云,SDN 加大数据,SDN 与网络安全等等与 SDN 相关的研究都在进行中。而其中,利用 SDN 来进行重新路由,进行流量分配是现在 SDN 最实际的用途。Murat Karakus, Arjan Durresi[4]的文章收集了几乎所有应用 SDN 的流量工程,质量保证等等相关的论文,可以看出从 SDN 三层架构出发,学者设计的流量控制架构,从硬件到软件的QoS 保障研究人数众多。他们设计的架构从数据平面到应用层面,很少包括基于客户端参数的 QoS 应用。在过去的研究中,多数学者采用贪婪算法,遗传算法来解决 SDN 网络资源分配问题。也有利用 SDN 调节视频播放清晰度,保证视频流畅的做法。国内学者[5]在很早之前开始了对未来网络的研究,其中包括浙江工商大学对 ForCES 的实现。可编程网络 SOFIA 的研究。而在 SDN 方面,国内开始了对 SDN 从底层的模型研究,到上层的无线网应用研究。SDN 控制器放置问题,在无线网路中的快速路径转发问题,等等可以利用 SDN 得到的优势问题研究。也有对 SDN 控制器安全的相关研究。而更多的研究是在 SDN 与数据中心的研究上面。如何处理大象流,如何合理利用数据中心网络,隔离数据中心的多租户问题。阿里,腾讯等国内大企业也开始使用 SDN 对自己的数据中心网络进行控制。
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第二章 SDN 相关背景
 
SDN 网络是新兴的网络服务架构,他融合了虚拟化技术和可编程思想,利用流表加控制器的方式分离控制和数据平面,达到网络可控,网络新功能快速部署的目的。本章 2.1节对 SDN 网络自下而上的介绍了相应层次的功能。2.2 节详细的流表和 Openflow 协议的发展。2.3,2.4 章介绍了用户体验保证和 SDN 网络在对用户体验保证上面的研究。
 
2.1 SDN 网络介绍
SDN 网络起源于 GENI[7]在斯坦福 CleanSlate 实验室的子项目。和之前的 4D 架构,ForCES等新兴网络架构,SDN 也是突破传统网络架构的一次尝试。直到 2008 年,Nick Mckeown教授首次提出了 SDN 的初步概念,2009 年正式提出 SDN,可编程网络的思想才真正得到了实现。并且 SDN 网络也正好迎合了 NFV(网络功能虚拟化)的要求。SDN 网络学术研究掀起一波热潮。网络巨头们纷纷连手成立相应加入组织制定关于 SDN 的规范。于是 ONF[8]( OpenNetworking Foundation)这个有 Linux 基金会代管的非营利,用户驱动的研究组织成立了。组织成立促使了 Openflow[9]协议的诞生。VxLAN[10]一种 SDN 在虚拟数据中心 2-3 层架构中的实现方式在 2014 年应运而出。SDN 不同于传统网络架构的分散控制,转发控制结合的结构。SDN 把逻辑控制层和数据转发层分割开。数据转发层面分类,逻辑控制层统一,中心化。转发平面只负责存储转发功能,不负责任何逻辑计算。这样的交换机是傻子一样(dumb)这样的交换机给予了科技人员更多的想法,更高的逻辑可编程能力,更开放的编程生态环境。SDN 解决了现实中传统静态结构网络难以动态计算储存等入境数据中心,校园和运营商的需求。“大数据”意味着更多的带宽,处理如今如此巨大的带宽,急需平行的网络处理过程。
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2.2 流表以及 Openflow 协议详细介绍
流表是交换机转发,修改信息流的信息表,类似于原来的转发表(FIB),路由信息表(RIB)等的组合。流表包括 3 个区域包头域,计数器和动作。包头域是 Openflow。交换机接收到传输来的数据之后,通过查找,储存的流表,如若找到相应流表,则执行操作,查找不到相应流表,则丢弃该数据。对同一个数据,可以由多条流表进行修改,转发。流表查找过程是通过对包头域进行匹配转发的。每当一个数据流进入 Openflow 交换机,由 Openflow 交换机解析出该数据流的分组头域,并与该 Openflow 交换机现存的所有流表中所包含的各个表项的分组头域进行匹配,匹配成功后按照流表的行动域处理该数据流,否则将要把该数据流封装为 Packet-in 消息上传给控制器,由控制器做出判断如何处理该流,控制器再发出 Packet-out 信息,返回给交换机。交换机安装流表,并按新流表执行操作。[14]如今的流表支持多级流表功能,能够在多个流表之间进行跳转,保证交换机的可编程能力。
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第三章 模拟退火算法的负载均衡........ 13
3.1 模拟退火算法背景.........13
3.2 模拟退火算法参数选择............14
3.3 退火算法的改进.............14
3.4 本文使用的模拟退火算法.......15
3.5 模拟退火算法仿真实验...........16
3.6 本章小结.............18
第四章 基于 SDN 网络的网络拥塞检测与调优......... 19
4.1 拓扑模型.............19
4.2 系统整体框架.....21
4.3 客户端体验参数收集....22
4.4 SDN 控制器设计.......... 23
4.5 本章小结.............25
第五章 SDN 网络负载均衡仿真实验与结果分析...... 26
5.1 仿真实验平台及工具....26
5.2 仿真拓扑.............28
5.3 仿真过程.............29
5.4 仿真结果及分析............31
5.5 本章小结.............34
 
第五章 SDN 网络负载均衡仿真实验与结果分析
 
本章就第三章和第四章提出的负载均衡算法和基于SDN网络的用户体验保障系统进行实验,采用了 SDN 的模拟器 Mininet 和开源交换机 RYU 实现。5.1 章对实验平台和工具进行了简要介绍,5.2 节对仿真拓扑结构进行介绍,5.3 节是对仿真结果的分析和总结。
 
5.1 仿真实验平台及工具
虚拟交换机 Open vSwitch[36]是基于 Apache 2.0 的开源产品级多层虚拟交换机。OVS 本意设计为可编程的巨型网络自动化工具,他指出如今的多种交互接口和协议,例如 NetFlow。而且 OVS 能够在占用极少资源的情况下模拟仿真出大量交换机。OVS 能够模拟出 vport 虚拟端口,虚拟端口连接着不同的虚拟机,OVS 虚拟交换也是采用流表进行转发的。通过 OVS管理指令能够随时联通或者断开交换机之间的链接。斯坦福大学为了 SDN 研究人员的方便使用 SDN 网络,编写了 Mininet[37]仿真软件。由于 SDN 的软硬件可编程性,Mininet 仿真软件实现结果可以无缝的使用真实的 Openflow交换机上。这样大大减少了 SDN 开发人员在硬件上的消费,解决了如今支持 SDN 的交换机数量少,价格昂贵的缺陷。Mininet 仿真软件支持 Open vSwitch,indigo 等虚拟交换机,使编程人员能够有很大自由度的选择何种交换机,何种开发环境。新版的 Mininet 为用户提供了自定义 Topo 接口,图形编程接口使得初学者更容易按照自己需要定义拓扑结构。并且利用 Liunx 自带的 Kvm 能够用少量资源产生多个终端。这些虚拟终端能够帮助研究人员完成一些简单的网络访问行为。Mininet 的安装可以直接采用新立得的 apt-get 安装旧版本的 Mininet,也可以通过 git获取最新源码进行自定义安装。源码安装能够单选择安装何种交换机,或者不安装交换机,是否按章相应的接口自定义软件占用空间。
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总结
 
SDN 网络是如今正热的网络架构,SDN 网络给予操作者的全局上帝视角能够帮助操作者更好的利用网络资源,优化网络拓扑结构。更重要的是 SDN 网络能够实现了非 IP 内容的转发操作。这为以后的命名内容网络,等希望解决网络 IP 耗尽,网络资源更加细粒度化管理的新型上层网络架构打下了基础。而上层网络架构通过 SDN 能够实现多路径转发,流的更加细粒度控制等如今 IP 网络无法解决的问题。本文主要实现了基于客户端参数的 QoS 保障架构,模拟退火算法作为优秀的智能算法经历了多年已经十分完备。在对退火算法速度上的改进也在是很多学者研究的重点。本文为了适应流量调节的实时性,改进模拟退火算法,加快模拟退火算法的温度下降,在陷入局部最优的时候,增加回火机制,减少陷入局部最优的可能性。改进了模拟退火算法以适应负载均衡的要求。在负载均衡实验中,线路能够承载更多的负载,保证视频的流畅播放。本文使用的利用客户端参数能够在网络拥塞时利用 SDN 的快速反应,调整部分流量流经线路,为对网络要求高的应用流出足够带宽,保证应用的网络质量。在当单条线路流量过大的时候,能够均衡流量到其他的线路中,提高网络各部分利用率。并且对无客户端参数收集的网络与带有客户端参数收集的两种不同网络。
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参考文献(略)

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