软件定义网络中流优化调度基础理论研究

The scheduling and routing based on flow in software-defined networking (SDN) is one of the key problems in the field which needs high attention. This is an important means to increase the management efficiency of SDN. In Large-scale data center network, flow scheduling and routing with fine granularity are facing huge challenges. Therefore, this project launches the studies on the mathematical description of flow state transitions, acquisition of flow behavioral characteristics and foundational theories of the scheduling and routing of flow.and coflow in SDN. The content of the research follows a progressive logic,including： (1) Through π calculus of process algebra, the study of mathematicalmodeling methods for the flow state transition is launched.(2) The flow-level behavioral characteristic study of flow block awareness, flow transition awareness, traffic characteristics awareness, coflow constraint awareness is launched.(3) The study of scheduling model based on flow and coflow with multi-dimensional awareness as well as the routing policies are launched, and the correlation between the characteristics of routing and hosting services of SDN is established.(4)The study of coflow multi-path routing with delayed equivalence is launched to guide the flow distribution among multiple paths. (5) Verify the theories and methods above in real data center networks and simulation environment. Through the above research, it is expected that the management efficiency of SDN can be increased, the energy consumption can be decreased, and thus, the network manageability research can be promoted.

软件定义网络中流规则的调度和流路由研究是该领域需要高度关注的核心问题之一，是提高软件定义网络管理效率的重要手段。在规模较大的数据中心网络中，基于流的细粒度的流调度和路由面临巨大挑战。基于此，本课题开展软件定义网络中流级状态变迁数学描述、流行为特征获取、流与组流调度与路由基础理论研究。本课题研究内容逻辑上依次递进，包括：（1）通过进程代数π演算开展流级状态变迁行为数学建模方法研究；（2）开展流块感知、流变迁感知、业务特征感知、流组约束感知的流级行为特征感知研究；（3）开展多维感知的流调度模型、组流调度模型和路由策略研究，建立软件定义网络路由与软件定义网络承载服务的特征之间的关联关系。（4）开展延迟等价的组流多路径路由研究，在多路径间引导流量科学分布。（5）在真实数据中心网络和模拟环境下验证上述理论和方法。通过上述研究提高软件定义网络管理效率、降低能源消耗，从而推进网络可管理性研究。

随着5G推广、6G在望，互联网得到了持续、深入的发展。与此同时，互联网呈现出了速率高、规模大、接入系统复杂、网络行为不可预测等特征。近百年的电信通信发展主要基于交换（电路交换、包交换）及无线接入两大核心技术。软件定义网络打破了互联网的僵化模式，提供抽象分层的网络结构。软件定义网络通过解耦控制平面和数据平面，实现路径选择和快速转发的灵活控制，并在应用层协议实现、数据中心流控等方面有提供了广阔的空间。传统的流量控制多用于数据中心网络等传统大型有线互联网。但随着物联网的深入发展，物联网在诸如自动驾驶、无人飞行器控制等领域对网络速度的要求达到了微妙、亚毫秒甚至更高，增强物联网流量控制、提供其网络传输速度和稳定性具有重大的价值。低延迟、高可靠物联网系统成为很多领域的基础需求。在物联网中存在许多时间敏感信息（Age of Information，AoI）应用，如自动驾驶、机器人交互合作等。AoI信息会因为时效而失去价值或造成严重后果。这就要求网络包传输更加高效。而软件定义网络通过路由、转发分离增强网络编程透明性，实现网络的全息感知、动态优化、透明编程。综上可以看出，网络流量调度是数据中心网络、物联网络的核心基础要求。基于此，本项目按申请书提出的研究路线深入开展了软件定义网络流及其路由控制研究。本项目的研究取得了以下几个方面的重要成果：.（1）提出了基于进程代数的网络流级状态变迁行为的数学建模方法；.（2）提出了一种基于发布订阅模型的高效路由机制、基于节点状态的物联网路由机制研究；.（3）提出了一种MQTT数据交换协议的优化方法；.（4）提出了一种物联网节点内性能测量方法；.（5）提出了一种节点认证方法，用于物联网节点安全认证；.（6）课题组初步实现了自主版权、有特色、安全的应用层传输协议MQTT实现Hummingbird，并设计实现了一套用于协议行为测试的软硬件一体化测试系统。. 传统互联网通过信息跨时空交换，从根本上改变了人类生产、生活方式，形成了平行于物理世界的互联网虚拟世界。而物联网则在互联网的基础上，融合了物理世界和虚拟世界。通过物联网，物理世界和网络虚拟世界及物理世界内部元素之间相互感知、交互、联动，形成了巨大的赛博物理空间。本项目深入研究了数据流路由机制及其在数据中心和物联网领域的消息数据流转发方法，并开展了物联网数据传输节点的认证、性能测量等研究。