网络更新过程中的微环避免技术和拥塞避免技术研究

摘要

随着网络业务越来越流行以及互联网对服务质量需求的日趋提高，运营商不得不对现有网络进行频繁更新，然而网络配置信息的更新通常引发一系列造成网络性能下降的问题。本文对IP网络和SDN网络更新中的典型问题进行研究并提出相应的解决方案。
　　IP网络更新会触发路由重收敛，然而所有路由器不能保证在同一时刻收到新的链路状态并启用收敛后的转发表，从而可能导致数据包陷入转发路径形成的暂时环路，即微环(micro loop)，该问题由于带来潜在的延时增大和丢包风险而成为IP网络更新时的主要问题。
　　SDN网络更新通常通过对交换机重新配置流表来实现，然而SDN交换机很难甚至不可能严格同步地执行更新操作，从而导致进入网络的数据包沿着由新、旧流表组合的混合规则转发，即网络不一致问题，该问题可能进一步引发数据黑洞、微环和数据安全等问题。由于SDN架构强大的流控能力和SDN应用对服务质量的高要求，从而如何保证网络一致性是SDN更新广泛关注的问题。然而，即使网络一致性得到满足，网络也无法保证所有业务数据同时遵循新/旧流表，从而可能导致某些链路因为同时承载新流表流量和旧流表流量而发生短暂拥塞。
　　本文的研究工作主要分为以下方面。
　　1)本文研究分析当前两种主流IP微环避免技术：OFIB技术和OMA技术。OFIB技术通过直接控制路由器的FIB更新时刻以达到路由重收敛过程中没有微环形成的目的。OMA技术分多阶段渐进地调整链路权重到目标值以实现网络更新，其中每个阶段将链路权重调整到一个中间值，该值保证了路由重收敛过程不出现微环。与OFIB技术相比较，OMA技术因其更优的扩展性与易实现性得到更广泛的关注和认同。
　　2)针对现有基于 OMA技术的微环避免算法计算复杂度高的缺点，本文提出了一种低复杂度的微环避免算法(A Low-Complexity Micro-Loop Avoidance Algorithm, LCMLAA)，LCMLAA定义“权重区间”并利用区间重叠的特点直接计算中间值，同时保证其数目最少。
　　3)本文研究分析当前三种主流SDN更新方案：基于序列号的更新方案、基于存储转发的更新方案以及基于版本号的更新方案。基于序列号的更新方案设计所有流表项的更新序列信息表，控制器定时执行表中的指令组以实现更新。基于存储转发的更新方案在更新期间将部分数据包上传给控制器缓存，待更新结束后再将数据包下发到数据平面。基于版本号的更新方案利用额外的数据标签来区分新、旧两套规则。与另外两种更新方案相比较，基于版本号的更新方案是唯一能够保证网络一致性的方案。
　　4)针对基于版本号的更新方案未能解决链路拥塞的不足，本文提出拥塞避免更新策略，其主要思想是安排一种更新顺序使得业务流从旧规则有序地迁移到新规则的过程中没有链路被拥塞。基于上述拥塞避免更新策略，本文提出面向节点的拥塞避免快速更新算法(Congestion Avoidance and Fast Update Algorithm, CAFUA)与面向业务流的拥塞避免快速更新启发式算法(ATOmic-MIP, ATOMIP)。前者研究了以节点为更新单位（即从同一个节点进入网络的流量被一次迁移）的节点更新顺序问题，旨在减少控制器与交换机间的控制信令开销以及降低交换机性能差异对网络性能的影响。后者研究以单个业务流为更新单位(即从同一个节点进入网络的多个业务流允许分多次迁移)的业务流更新顺序问题，目标是充分利用SDN的精细控制能力以获得较少的更新轮数和提高对大规模网络更新的适应性。

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缩略词表

第一章 绪论

1.1引言

1.2研究内容以及研究现状

1.3本文主要贡献和内容安排

第二章 IP网络更新方法研究

2.1研究背景

2.2 IP网络更新中的问题

2.3现有微环避免技术介绍和比较

2.4本章小结

第三章 基于OMA技术的微环避免算法研究

3.1基于OMA技术的微环避免算法研究现状

3.2低复杂度的微环避免算法

3.3本章小结

第四章 SDN更新方法研究

4.1研究背景

4.2 SDN更新面临的挑战

4.3分析和比较现有的SDN更新方案

4.4本章小结

第五章 基于版本号更新机制的拥塞避免算法研究

5.1版本号更新机制中的问题及研究现状

5.2网络模型

5.3问题描述以及基于版本号更新机制的拥塞避免更新策略

5.4面向节点的拥塞避免快速更新算法

5.5面向业务流的拥塞避免快速更新启发式算法

5.6本章小结

第六章 论文总结

6.1本文研究工作总结

6.2未来研究工作展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果