基于短距离无线通信的数据中心网络管控平面构建、调度及应用关键技术研究

The data center, which is one of the essential components of the information service infrastructure, is facing more and more challenges due to its increasing size and dynamic traffic pattern. These challenges mainly include management and control, burst traffic scheduling, traffic anomaly detection, etc. Consequently, the service quality that the data center can offer to potential users has been deteriorated, which in turn has constrained its further development. In order to solve problems mentioned above, this project aims at introducing short-range wireless communication links to construct a reliable, timely and high-bandwidth Wireless Management and Control Plane (WMCP) of the wired data center, detecting and locating traffic anomalies based on WMCP, and construction and application of WMCP. To be more concrete, the main tasks of this project are as follows. Firstly, designing the topology construction mechanism and routing algorithm of the WMCP based on hybrid ant optimization and graph theory. Secondly, combining the priority and timeless requirements of the control traffic, presenting the wireless link scheduling algorithm based on conflict graph theory and detour path method. Thirdly, establishing a unified management and control information base based on WMCP, and proposing the traffic anomalies detection and locating algorithm based on matrix fraction and control chart theory. Finally, the effectiveness of the proposed algorithms is evaluated through numerical and simulation analysis as well as prototype construction.Through conducting this project, we can provide theoretical basis, innovation environment and prototype practice for building reliable and efficient management and control schemes of the data centers.

规模的不断扩展和流量模式的动态性使得作为信息服务基础设施重要组件的数据中心在管理控制、突发流量调度和流量异常检测等方面面临诸多挑战。这降低了数据中心提供的服务质量，从而制约了其进一步发展。本项目以引入短距离无线通信链路构建有线数据中心的可靠、高时效性和高带宽的无线管控平面，并基于其进行流量异常发现与定位为目标，围绕数据中心网络管控平面构建及其应用中的关键技术展开。基于此，本项目拟研究如下内容：(1)基于混合蚁群优化和图理论，设计无线管控平面拓扑构建机制和路由算法；(2)运用冲突图理论和路径迂回方法，结合流量优先级和时效性要求，提出管控平面无线链路调度算法；(3)基于无线管控平面建立统一管控信息库，并运用矩阵分解和控制图理论，设计流量异常检测和定位算法；(4)搭建仿真实验平台和原型系统，评估算法性能。通过本项目研究，可以为构建可靠高效的数据中心网络管控平面提供理论基础、创新环境和原型实践。

数据和控制流量激增、低成本设备的不可靠性和异常流量模式的多变使得传统树状结构数据中心网络在结构控制、流量管理和异常处理方面面临诸多挑战，从而限制了数据中心的服务能力和服务质量。为了缓解这些问题，本课题引入短距离无线通信链路到数据中心网络，期望利用其部署灵活、带宽充足和调整简单的优势，构建面向数据中心网络的无线管控平面，并基于该管控平面提升数据中心流量管理的灵活性和安全性。围绕这个目标，课题组从布局无关的管控平面构建、高效灵活的链路调度和准确及时的异常发现等方面开展了一系列研究，取得了如下成果：.(1)提出了一种数据中心网络机架布局无关的无线管控平面构建方法，可以根据不同的布局得到无线链路间的冲突信息，并基于改进的生成树方法构建满足需求的无线管控平面；.(2)针对无线链路间的干扰及冲突问题，设计了一种基于现象-干扰关系图的干扰检测和识别方法，可以高效准确确定干扰攻击的发生并判定其类别。提出了一种基于质心迭代的干扰源定位机制，可以在干扰发生时定位干扰源位置，从而降低或消除无线链路间的干扰；.(3)提出了无线管控平面的调度机制。针对不同的调度需求，提出了四种调度方法，利用无线管控平面的无线链路为控制流量提供更好的传输保证，从而提升网络运行的稳定性和安全性；.(4)针对数据中心网络中部署软件定义网络的需求，提出了用无线管控平面承载控制流量的新思路，可以实现数据中心网络的增量升级，并提高控制流量的传输性能和安全性；.(5)提出了一种基于改进Shiryaev-Roberts方法的流量异常检测机制，并将其用于检测DDoS攻击，有效提升了SDN环境下的数据平面和控制平面的安全性；.(6)针对新出现的雾计算对时延敏感任务的调度需求，提出了一种基于蚁群算法的调度机制，可以更高效地利用数据中心、移动云和移动设备的资源满足用户的服务需求。.截止到目前，本项目共发表论文34篇，其中SCI检索5篇，SCI待检索1篇，EI检索9篇，EI待检索6篇，核心期刊3篇。其中，关于干扰源定位的综述发表在国际顶级期刊《IEEE Communications Surveys & Tutorials》上，该刊2016年影响因子为17.188，另外还有4篇CCF C类的SCI期刊。申请国家发明专利2项。培养硕士研究生3名。课题组1人入选江苏省333工程第二层次培养对象，1人赴美国乔治华盛顿大学访问6个月。