软件定义物联网的QoS建模及其动态路由研究

For the problems of the exponential growth in traffic and the resources sharing in the dynamic heterogeneous network, and the dynamic quality of service (QoS) requirements in online services and applications of Internet of Things (IoT), this project proposes a software-defined IoT architecture, which particular focus on its QoS modelling and dynamic routing strategies. Using the stochastic network calculus theory, this project discusses the relationships between the arrival curve of the software-defined IoT traffic and traffic characteristics, the network node service curve and network characteristics, the end-to-end effective service curve and network characteristics, and establishes node performance models and end-to-end QoS models of software-defined IoT. Through using the proposed end-to-end QoS models and calculating QoS parameters based on per-flow, the project also puts forward a centralized dynamic QoS routing strategy, in which the IoT controller is in charge of the directing routing and the IoT devices are responsible for forwarding traffic on the basis of the flow tables. This project explores detailed implementation programs and key technologies of the test platform, and also researches and optimizes the proposed QoS routing strategy based on this test platform. This project solves the key problems in the limited network resources sharing, the performance calculation on many QoS constraints, sending down flow tables and so on, and aims to control the effectively rapid growth traffic in IoT, rationalizes the use of limited resources in the dynamic heterogeneous network, meets the dynamic QoS requirements in online services and applications. It is significant in promoting the healthy and orderly development of IoT.

针对物联网指数级增长流量管控和动态异构有限网络资源共享问题、以及在线服务与应用QoS动态需求，探讨软件定义物联网新架构，研究软件定义物联网的QoS模型及其动态路由策略：(1)采用随机网络演算理论，探讨软件定义物联网流量到达曲线与流量特征之间的关系，探讨网络节点服务曲线与网络元素属性之间的关系、端到端有效服务曲线与网络元素属性之间的关系，建立软件定义物联网性能模型和端到端QoS模型；(2)利用端到端QoS模型，通过每流的QoS计算，提出基于软件定义物联网控制器逻辑集中控制和物联网设备流表转发的QoS动态路由策略；(3)探讨搭建测试平台的实施方案和关键技术，对QoS动态路由策略进行优化研究。本项目拟解决有限资源共享、多QoS约束性能计算以及流表下发决策等关键问题，将有效管控物联网指数级增长流量、合理利用动态异构有限网络资源以及满足在线服务与应用QoS动态需要，对物联网有序健康发展具有重要意义。

随着物联网设备数量的急剧增长，各种新的在线服务与应用不断涌现。物联网流量呈指数级增长，不同服务与应用共享物联网动态异构有限网络资源，且具有不同服务质量需求。因此，如何积极处理物联网设备所产生的指数级增长流量、合理利用开放物联网动态异构有限网络资源、以及满足在线服务与应用服务质量动态需求是物联网领域亟需解决的一个重要问题。软件定义网络是有效管控物联网指数级增长流量和合理利用开放物联网动态异构有限网络资源的可行解决方案。通过软件定义网络控制器提供的开放接口进行编程，可以灵活操控整个网络流量，有望解决物联网流量指数级增长所带来的问题。借鉴软件定义网络解耦控制与转发和逻辑集中控制思想，能够合理利用开放物联网动态异构有限网络资源，提供服务质量保障。本项目探讨了软件定义物联网新架构，利用软件定义方法和网络演算理论，重点研究了软件定义物联网的服务质量模型和动态路由策略。本项目已取得了如下结果：提出了基于网络演算的流媒体服务质量模型和路由算法，搭建了软件定义网流媒体服务质量路由系统；提出了软件定义物联网通用框架，引入排队论和网络演算理论推导了控制器延时，构建了基于最小平均延时和最大/最小延时模型；对数据包和OpenFlow交换机规则流表进行分层归类，提出了F-OpenFlow交换机的匹配结构；设计实现了软件定义网络环境下的动态负载均衡调度算法、基于分层思想和合覆盖方法的路由算法、以及拥塞控制和队列管理算法；在软件定义物联网框架下，提出了基于边缘交换机端口数据包速率矢量的余弦相似度的DDoS攻击检测和缓解算法。此外，从网络设备、网络功能和用户体验三个方面分析了软件定义网络、云无线接入网络和移动云计算三种新型网络范式，提出了支持大数据处理的远近计算增强云无线接入网体系架构及最优任务分配方法。本项目研究结果为有效管控物联网指数级增长流量、合理利用开放物联网动态异构有限网络资源、以及提供动态服务质量保障的深入探索奠定基础。