基于虚拟化技术的软件定义数据中心网络架构及多播调度策略研究

Traditional data center network architectures currently face many challenges, such as high cost complexity, poor scalability and inefficient resource management. In the meantime, software defined networking technology provides a flexible way to create and configure virtualized data center networks. However, how to design software defined data center networks that can achieve good flexibility and make full use of network resources remains a challenging issue. In this project, by using software defined networking technology, we first propose a software defined data center architecture with good expansibility and scalability and an efficient flow forwarding mechanism so as to make data center network management and control more flexible. Then, by integrating cache task allocation with cache replacement, we design an effective offline and online traffic redundancy elimination mechanism...Furthermore, we propose reliable multicast scheduling and routing strategies with bounded congestion control in software defined networks to reduce unit bandwidth consumption and transmission delay. Finally, to make full use of network resources and improve data transmission efficiency, we study the placement scheme of virtual machines in software defined data center networks based on virtualization technology. The outcome of this project will not only improve the scalability of system and flexibility of resource management as well as data transmission efficiency in software defined data centers significantly, but also provide more efficient and reliable services for data center users. Hence, the proposed research will have significant impact in both theory and practice.

传统的数据中心网络架构存在着复杂性高和资源管理困难等问题。引入软件定义网络技术可以灵活地创建和配置虚拟数据中心网络，但是如何设计一种网络资源充分利用、控制灵活的软件定义数据中心仍是亟待解决的问题。为此，本项目将结合软件定义网络，提出支持网络扩展的软件定义数据中心架构及高效的数据流转发机制，使数据中心网络管控方式更加灵活；其次，通过融合流量的缓存任务分配和缓存替换，研究设计有效的离线和在线流量冗余消除机制；进而，提出有界拥塞条件下的软件定义数据中心可靠多播调度和路由策略，以减小单位带宽消耗和传输延迟；最后，结合虚拟化网络技术，研究软件定义数据中心架构下的虚拟机放置方案，从而最大化利用网络资源，提高网络传输的效率。通过本项目的实施可以提高软件定义数据中心的系统扩展性、管理的灵活性和数据传输效率，为用户提供更加高效、可靠的服务。因此本项目具有重要的理论研究意义和应用价值。

传统的数据中心网络架构存在着复杂性高和资源管理困难等问题。引入软件定义网络技术可以灵活地创建和配置虚拟数据中心网络，但是如何设计一种网络资源充分利用、控制灵活的软件定义数据中心仍是亟待解决的问题。针对以上问题，本项目首先研究了软件定义数据中心网络中能耗最小化方法，提出了一种带冗余消除的流抢占路由策略，设计了一种启发式的结合时间和功率算法，该算法结合了链路共享避免算法来从时间维度上减少网络延迟，以及交换机聚合算法来从功率维度上减少能耗。其次，研究了基于Fat-Tree数据中心的无拥塞多播调度策略，建立了一个多播阻塞模型，并利用马尔可夫链理论计算多播子网下一时隙下行链路的阻塞概率，根据得到的概率和可用的核心交换机选择最优下行链路，可以有效减少算法的操作时间和网络拥塞的概率。另外，为了最大化网络吞吐量，研究了基于优先级的吞吐量最大化在线流调度机制，提出了流路由成本和利润的概念，刻画了链路资源和路由路径成本的模型，设计了一种有效的在线优先流调度算法来解决优先流请求调度问题并分析了其竞争比。再者，为了保证数据包的正确转发，研究了软件定义数据中心网络中快速无拥塞的数据平面一致更新策略，分析了控制平面的不同目标配置对数据平面转发规则中更新操作的影响，提出了最短部署时间路径选择算法来得到目标配置，并设计了一致性调度更新算法来解决从当前配置到目标配置的一致性转换。最后，结合网络功能虚拟化技术，研究了软件定义数据中心网络中动态虚拟网络功能（VNF）放置和路由问题，提出了基于预测的VNF动态部署和扩展策略，描述了离线和在线VNF部署成本最小化问题，设计了一种有效的在线缩放算法，该算法由基于傅立叶级数的预测方法和在线部署VNF实例算法这两部分组成，以达到降低运营成本的目的。本项目通过计划时间内的科学研究，完成了项目规定的研究任务，达到了预期的研究目标。