软件定义网络服务质量保障的任播问题研究

With the exponential growth of Internet devices, the Internet architecture has become more and more complex, which also increases the device complexity and the difficulty of network management. In order to overcome these deficiencies, a novel technology, called Software Defined Network (SDN), has been proposed. Under this technology framework, the control plane and data plane are separated so as to enable the flexible control for network traffics and provide a favorable platform for the core network and innovative applications. Since the SDN has changed the traffic control model compared with that in the traditional network, and the anycast routing is one of the essential problems in many applications, such as campus networks and data centers, etc, it is of vital importance to design more efficient anycast methods to improve the quality of service for different applications. Our project focuses on the anycast modeling and QoS-guaranteed anycast problems in the software defined networks while taking the requirements and constraints of campus networks and data centers as the starting points. More specifically, this project aims to improve the network QoS (such as bandwidth optimization, delay guarantee, and load balance, etc.) by designing a series of anycast routing protocols and algorithms. The proposed methods are able to adapt in different kinds of networks and satisfy the requirements of various data streams. Also, some algorithms will be verified in test-bed to promote the applications of the SDN technology in next-generation networks.

随着互联网设备呈指数级数增加，互联网体系变得越来越复杂，也加剧了设备复杂度和网络管理难度。因此，研究人员提出了软件定义网络技术来克服上述不足，其核心思想是将网络设备的控制平面与数据平面相分离，从而实现对网络数据流的灵活控制，为核心网络及创新应用提供良好的平台。由于软件定义网络改变了传统网络中的数据流控制模式，而任播路由又是园区网和数据中心等应用中的核心问题之一，因此设计软件定义网络任播路由机制来提高不同应用的服务质量就显得至关重要。本课题将以园区网和数据中心的应用需求和资源约束为出发点，以提高网络服务质量（如带宽优化、延迟保障、负载均衡等）为优化目标，紧紧围绕软件定义网络任播建模和QoS保障任播实现机理这两个科学问题，设计软件定义网络任播协议和算法库，使其适用于不同的网络环境，满足不同数据流的应用需求，并将在硬件平台上进行协议和算法的验证，推动软件定义网络在下一代互联网中的应用。

尽管任播在园区网和数据中心都有着广泛应用，而目前的任播研究较少关注软件定义网络的特性。因此，本课题仅仅围绕软件定义网络任播路由建模和QoS保障任播实现机理这两个科学问题，重点开展了软件定义网络QoS保障的任播路由建模、服务器负载均衡的任播、多约束下的最小网络流量任播、面向带宽优化的任播、延迟关注的吞吐率最大任播等研究。在该基金的资助下，课题组在国际著名期刊和会议上共发表论文35篇，其中CCF推荐的A类期刊和会议论文14篇（包括：INFOCOM 3篇，ToN 7篇，JSAC 2篇，TMC 1篇，TPDS 1篇），B类期刊和会议论文9篇（包括：ICNP 2篇）。正是在该基金的资助下，申请人于2018年获得了国家基金委优秀青年基金资助。具体而言，以提高网络服务质量（如延迟保障、带宽优化等）为优化目标，以各类资源（如链路带宽、流表大小、控制器处理能力）容量为约束，课题组设计了SSPF算法、RFRD算法、RDMAR算法等以实现高效可靠的任播路由，适用于不同的网络环境，满足不同数据流的应用需求，能达到较好的网络性能。具体而言，控制器响应延迟最多可以降低80%；控制器负载降低70%-80%，且只增加了链路负载的3%；网络吞吐率提高65%左右。通过该项目的实施，可以有效提高园区网和数据中心对用户请求的服务质量，推动软件定义网络在下一代互联网中的应用。