论文研究-一种基于SDN和MPTCP的多径并行传输技术.pdf

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提出了根据网络信息状态通过SDN控制器来控制MPTCP流量以提高并行传输速率。利用所提出的最宽不相交选路算法,为每个MPTCP连接选择一组可用带宽最宽且链路差距较小的路径集;然后使用可用路径容量的比例作为流量分配到该路径上的概率,进一步减小子流的带宽差距;最后,通过搭建Floodlight仿真实验平台,证明方案能够避免MPTCP的不同子流经过同一路径,并有效地利用路径提升并行传输效率。
第11期 卢选民,等:一种基于SDN和 MPTCP的多径并行传输技犬 3395 的一条简单路径,若N有边连接N,则代表路径p;和P是不 通过实验发现T3>0.9时,传输效率将严重下降。同时, 相邻的,每个N都有一个权值,这个值等亍该路径的可靠度。为∫避免转发路径集中路径过多,设置η为最大路径数。首 给定慨率图G(V,E)的(s,t)路径集,利用下述算法可以构建加先从(s,)的所有路径集R中挑选具有最大剩余带宽v,的路 权路径图10,如图6所示。 径r,如果貝有多条带宽最大路径,挑选最短路径,然后将该路 rocedure 径上的所有链路的剩余带宽减去,这会有效地使可能发生 input: (s, 4), pathset: P,=iPI, P,, ". Pm i of graph(V, E) 瓶颈带宽的链路的剩余带宽变为零或负数,然后从可用路径集 for i=i to m-l 中删除路径σ,计算T,如果T4<0.9,将路径r加入转发路径 for i=i to m set weight of to rel(p 集中。重复以上步骤直至R|≥或者R为空。注意如果一条 路径的刺余带宽为零或负数,直接将该条路径删除。所选路径 Pi Is (DisJoInt with p, set a link (i, j)in PG 的所有带宽的总和为路径集的带宽。最宽不相交选路算法伪 end procedure 代码如下: 得到路径图后,求最大稳定不相交路径集就变成了个经 procedure width(R) 典的图论问题——最大团块问題。关于最大团块问题的求解 W=0,R while R! =i 是一个完全NP问题,文献[11]中给出了几种求解方法,对于 if|R≤n 每个P1,使用最大团算法为给定节点(即包含P1的usu2)生成 w. max d 组最大团块。例如,以P为参考路径,可获得可靠性为 R=I 0.469731的最大团块{p1,P6,P},可靠性为0.257257的{p1, po}。类似的过程继续求解N2、N3的最大团块。所有最大团块 r:rcR,d=d 中可靠性最高的就是K条最可靠的路径集。 上述算法求出的路径为独立节点链路。然而,独立节点链 if T,<.9 路的限制过于严格,因为即使两条链路共享一段链路,也不 W=W+W 定出现瓶颈加大拥塞,反而可以增加可用宽减少拥塞,如图 for link in r 所示,如果只选择4~6不相交路径,(4,6)的路径集pn=|P1 C1=C1- (4,1,6),p1(4,3,1,6),1(4,3,5,2,6)}中独立节点链路集有 R=RA R=RUr P1,P3},因为(1,6)和(4,3)是共用链路。如果以路径可用带 宽为度量,那么(4,1)的最大可用带宽路径集为{p1,P3},其可 turn r and w 用带宽为80Mbps。路径的可用带宽是指该路径上链路的最 小可用带宽,当选取(4.1,6)后(1,6)还剩的可用带宽为22流量分配 40Mps,而路径(4,3,1,6)的可用带宽为30Mbps,可见(1, 6)的剩余带宽大于路径的可用带宽,表明(1,6)不是p1和P2 对于每个ⅥPTCP连接需要建立两张存储表,即 path Cache 和 subFlows。其屮, path Cache用于获取源一目的地址之间的 的瓶颈链路;同理,(4,3)也不是P2和P3的瓶链路。可以同 时选取{P,P2-P3作为(4.6)的最大可用带宽链路集,可用带 转发路径集,当接牧到一个新的MPCP时首先查看 path Cache 宽为110Mbps1 表是否存在该ⅥPTCP的转发路径集,如果存在则将其加载到 ubFluws中,每当接收到该 MPTCP新的子流时,选择一条路径 0.2041 0.10720 40 Mbl 对该子流进行转发,并将该賢径从 subflows中删除;如果不存 0.l6 80 Mbps 在将运行上述算法,算出转发路径集,并将其加载到 path Cache 0.159665 ④-③ aMb 表和 subflow表中 0.16121 40 Mbps 选用 pathCache表中可用带宽的比例作为子流,分配到该 2041-⑧ 40Mbps 链路的概率。这里所说的穊率并不是传统意义上的概率,取值 0.1687 0.075043 5_ Mbps 为[0.0,1.0],实际上它们是五元组的哈希分界值。当控制器 图6加权路径图 图7网络拓扑 接收到一个新的 MPTCP∫流吋,提取其源目的P地址以及源 目的端口号进行哈希计算,生成一个16bit的无符号整数,其 最宽不相交路径算法选择路径的剩余带宽和距离作为链 取值为[0,65535]。通过划分这个范围,不同范崮的值对应丁 路的度量。设c为链路【的最大信道容量,v是链路l的平均 不冋的路径,从而表现为路径的分配概率。例如假设两条路径 负载;1/′是链路的距离,链路的距离越短,链路的质量越好。 这些链路信息可以通过链路状念协议获取。为了频繁交换各"√2的可用带宽相同,那么它们的转发概率为0.5,则设置路 径的界限为65536%2=32768。如果计算H(sre,dst, sport, 链路的平均剩余带宽信息,为更新的时间间隔,m是(1-,dpon)<32768,则该子流对应的数据从1转发,否则,数据从 r)内链路的利用率,那么链路的平均剩余带宽为1 C=(1-m1)c (3)P转发。当下发该流表后,将 PathCacl中的可用路径以及路 其中:c是上次更新的路径剩余带宽。 径的转发概率更新。 由上文可知转发同· MPTCP的不同子流的所选路径可3仿真结果与分析 用带宽差异显著时,接收端数据将发生严重乱序,从而导致传 输效率低下。令7代表路径i与可用最宽路径的带宽差值比 利用基于 Open Flow的 Floodlight控制器来实现算法,控制 例,如式(4)所小 并监测网络中的流量分配,采用 Wininet来生成网络拓扑 (4)图。整体框架如图8所示,SDN控制器平面链路连接每个 交換机获取链路状态信息,并通过预先设定好的路由机制来控 其中:cm、为可用路径集中最大剩余带宽 制子流转发路径和流量分配。 3396 计算机应用研究 笃35卷 onto tch 山,减少子流之间流量差异.提升了并行传输效率。而多径并 自 controller 行传输从不同的角度出发可以得到不同的解决方案,本方案针 对传输层和网络层进行了研究,也还有较多需要进一步完善的 晋奇m 地方。今后可以从以下方面对SDN和 MPTCP的并行传输方 案进一步研究:a)优化SDN的控制算法,由于网络流量需要集 图8系统仿煮框架 中控制,在大规模网络下所需求的计算资源必然增加,拟引人 实验拓扑如图9所示,机A发送数据,经过 Open Flow交分布式控制以减轻单机计算开销;b) MPTCP协议在传输之前 换机所组成的网络传输给B。在实验中将每条链路的带笕设 就确定丁子流个数,通常在整个会话期间,子流数是不变的,可 为2Mbpe,(S2,H)的时延为20m,其余链路时延为10m,链以考虑利用SDN收集到的网络状态来管理子流数量;e)sy 路的花費为时延。发送端为主机A,发送端、接收端都使用 MPTCP协议,发送和接收速率都为2Mbps,建立子流的数目为 作为现今热点研究技术,可以提供全局的网络信息,所以可以 利用这些信息为上层协议提供数据支持,如研究基于SDN跨 3,数据帧为1512Byte。 层、联合的 MPTCP拥塞控制算法。 application 参考文献 L1 Zhou Dizhi, Song Wei. Multipath TCP for u er cooperation networks]. Springer International Publishing, 2014, 29(1) 18-2 图9实验拓扑图 [2 Zhao Yongli, Zhang Jie, Yang Hui, el al. Data center optical networks 算法分配路径信息如表1所示,60s内收发数据情况如表 (DCON) with open flow based software defined networking SDN) [C//Proc of the 8th International Conference on Communications 2所示。 and Networking in China. Piscataway, NJ: IEEE Press, 2014:771 表1 MPTCP子流路径表 775 实验序号 2 [3] Xi Kang, Liu Yulei, Chao H L. Enabling flow-based routing control MPTCP子流 HI-Sy-Ss-H2 H1-S1-H2 HI-S-H2 in data center networks using Probe and ECMP C //Proc of IEEE MPTCP子流2 H1-s1-H2 Hr-S3-Ss-Sr-H2 HI-SrSs., MPTCI了流3H1-S3S6S7H2H1s1SsH2 HI-s3-Ss-S7-H Conferenee on Computer Cormmunicali(ns. Piscataway, NJ: IF EF Press,20ll:608-613 表2发收帧数表 实验序号发送端HosA接收端HsB发收比例/% [4 Sehmitz-linneweber C, Small I. Pentatricopeptide repeat proteins: a socket set for organelle gene expression[ J]. Trends in Plant Science 29882 2 29956 29956 2008,13(12):663670 3 9973 29973 [5] Ford A, Raiciu C. Handley M, et al. RiC 6824, ICP extensions for 实验结果显示,本文算法对于不同的 MPTCP连接其处理 multipath operation with multiple addresses S/OL.(2015-10-14) 方式相同,都是优先分配最好路径,对于子流的分配具有随机 https://datatracker.ietforg/doc/rfc6824/?include_text=1 L6 Canini M, Kuznetsov P, Levin D, et al. A distributed and robust 性。此外,由于算法会选择流量差异小的分配方案,在传输数 SDN conlrol plane for Transactional network updates [C]//Pro 据时可以有效地防止数据丟失。可以看到在网络结构允许的 IEEE Conference on Computer Communications. Piscataway, NJ 情况下本文所提算法会选择独立节点链路进行传输,所以具有 IEEE Press, 2015: 190-198 高稳定性,并不会造成连接丢失;在不存在独立节点链路的网[7] Sheu J P,LiuL.W, Jagadeesha R B,eta. An efficient multipath 络结构中,算法会在链路最大瓶颈带宽的条件下来诜择链路以 routing algorithm for multipath tCP in software-defined networks 此降低网络阻塞的概率,从而提高传输稳定性。 ICl//Proc of European Conference on Networks and Communica 在上述网络结构基础上运行不同的控制算法,算法1是直 tions. Piscataway, NJ: IEEE Press, 2016: 371-376 接采用 Dijkstra产生的路径,不考虑路径之间的差异和共享瓶8 Feamster n,Reod, Zegura E. The road to SDN J.,ueue 颈带宽,算法2则是本文算法。另外两种算法则是直接利用 2013,11(12):87-98 FCMP和TCP协议。不同算法的吐量如图10所示。从[9] Lohr,SohS, Lazarescu M,e"at! A greedy technique for finding 图10屮可以看出,多径传输对MPCP子流转发可以获得更大 the most reliable edge-disjoint-path-set in a network [c]// Proc of the 14 th Pacific Rim International Symposium on Dependable Computing 的春吐量,因为算法2选择的是带宽差距在一定范围内的不相 Piscataway, NJ: IEEE Press, 2008: 216-223 交路径,有效利用了路径并且缩短了子流转发路径的带宽差异。 multipathrouting [C]//Proc of the th International Workshop on Quality of Service LIl」支志兵,宁爱兵,陈吉珍,等.最大团问题的加权分治算法 计算机工程与应用,2016,52(2):50-53 160 [12]孙明明,李树春。关于短时延多包传网络控刽系统的稳定性研 究[J.通迅世界,2016(16):87 80 13]刘朝亮,辛鵬,如何在计算机通信网络中进行容量与流量分配优 8101214161820 化「J.电子技术与软件工程,2016(10) 图10不同算法的吞吐量 [14 Erickson D. The beacon openflow controller [C]//Proe of the 2nd ACM SIGCOMM Workshop on Hot Topics in Software Defined Net- 4结束语 working. New York, ACM Press. 2013. 13-18 L 15 Schneider M G, Nemeth T. A simulation study of the: OSPF-OMP 通过本文的研究,可以在传输层上使用ⅥPTCP协议,并且 routing algorithm [ J. Computer Networks, 2002, 39(4 ): 457 利用软件定义网络框架能够有效地控制MPCP孑流的多径路

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weixin_39840588 你的留言是对我莫大的支持
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