面向新型互联网架构的移动性管理关键技术研究(博士学位论文-胡章丰)

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互联网、移动性和云计算三种技术的诞生改变了人们的生活方式,丰富了人们的生活内容,提高了人们的生活品质。随着技术的进步和互联网业务的飞速发展,传统的互联网、移动性和云计算技术由于其早期设计的局限性,正面临越来越多的困难和挑战,阻碍了其进一步发展。 本文围绕互联网、移动性和云计算三个方面的内容依次递进展开研究,将这三种技术有机融合,首先,针对传统互联网所面临的困难和挑战提出了一种新型互联网架构;第二,研究了该架构下的标识映射与移动位置管理问题;第三,针对移动终端的频繁位置更新问题,提出了一种位置更新的优化方法;第四,针对云计算系统中的虚拟机迁移问题,提出了一种新型的虚拟机跨三层网络动态迁移方法。具体地,本文的主要研究内容包括: 1. 针对互联网发展所面临的困难和挑战,提出了一种基于身份与位置分离的层次化新型互联网架构。通过对身份属性与位置属性分离定义,为该架构下移动性的支持提供基础条件。通过对互联网逻辑结构的分层设计及身份标识与位置标识的结构化定义,实现该架构下分层编址和分级路由,在核心层以自治域ID寻址取代传统互联网的IP前缀寻址,大幅降低核心路由表规模,各层次网络和运营商采用的技术高度解耦,利于网络技术的竞争和多样化发展。通过在边缘接入网关处进行源位置标识映射和替换,引导到达指定终端的流量经过指定的上行自治域网络传输,实现对多家乡和流量工程的支持,且不增加核心路由表规模。 2. 针对所提新型互联网架构下的标识映射与移动位置管理问题,根据该架构三个层次的逻辑结构划分,首先提出了一种基于两级DHT与汇聚机制的标识映射与移动位置管理系统,该系统的三个层次分别与所提互联网架构逻辑结构的三个层次相对应,边缘汇聚服务器层对应互联网架构的边缘接入层,二级DHT存储域对应自治域层,一级DHT存储域对应核心交换层。利用边缘汇聚机制实现边缘接入网络内标识映射信息的汇聚,利用二级DHT环实现自治域 北京邮电大学博士学位论文 摘要 II 网络内终端标识映射信息的分布式存储和查询,利用一级DHT环实现全网终端标识映射信息的分布式存储和查询。在边缘汇聚服务器上提供标识映射信息动态更新功能,实现对移动终端的位置更新支持。其次,针对标识映射解析问题,提出了一种基于多级指针式缓存的标识映射解析性能优化方法,按照区分类别的方式进行标识映射信息的缓存,克服了无缓存模式下标识映射解析性能低下的问题和直接缓存模式下由于终端发生移动而导致的缓存频繁失效问题,性能分析结果表明在通常情况下该方法能够明显提高标识映射解析的性能。 3. 针对移动终端由于频繁移动而引发的频繁位置更新问题,提出了一种基于可变层次注册结构的移动位置管理优化方法,通过在无线网络中部署多级位置管理服务器,实现对不同切换频率移动终端的位置管理。位置管理服务器根据移动终端的切换频率及各级位置管理服务器的设定阈值将网络中移动终端分别注册到合适的层次,在缓解顶层位置管理服务器压力的同时,将位置更新过程限制在当前局部网络范围之内。性能分析结果表明,该方案能够明显降低移动终端的位置更新开销和归属位置管理服务器处理开销,且在参数选择合理的情况下能够大幅提高移动终端位置标识解析成功率。 4. 针对云计算系统中的虚拟机跨三层网络迁移问题,将新型互联网架构思想和无线网络中的移动性管理思想与云计算技术相结合,提出了一种基于身份与位置分离的虚拟机动态迁移方案。通过将虚拟机的身份标识与位置标识相分离,实现虚拟机上层业务与其位置信息的解耦,使得虚拟机跨三层网络迁移后的位置变化对上层业务透明。引入移动性管理的位置管理技术实现对虚拟机的位置查询和更新。与已有虚拟机跨三层网络迁移方案相比,该方案无需更新DNS系统中的条目,且虚拟机迁移后与原始物理服务器完全解耦,因此在应用价值方面具有明显的优势。性能分析表明在参数选择合理的情况下,该方案仅有较小的性能损失和额外信令开销。利用基于OpenFlow的SDN技术搭建实验平台,通过实验验证了该方案的可行性,实验结果表明该方案能够实现虚拟机跨三层网络和跨异构网络的动态迁移而保持上层业务不中断,且在迁移过程中只有较小的延时和丢包。 关键词:互联网架构,软件定义网络,移动性管理,标识映射与解析,云计算,虚拟机迁移
独创性(或创新性)声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外,论文中不 包含其他人已绛发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均口在论文中作了明确的说明并表示了谢意 申请学位论文与资料若有不实之处,本人承担切相关责任。 木人签名: 日期: 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定,即: 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并问国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许学位论文被查阅和借 阅;学校可以公布学位论文的全部或部分内容,可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释:本学位论文属于保寳在年解密后适用本授杈书。非保密论 文注释:本学位论文不属于保密范围,适用本授权书。 本人签名: 日期 导师名: 日期: 北京邮电大学博士学位论文 摘要 面向新型互联网架构的移动性管理关键技术研究 摘要 互联网、移动性和云计算三种技术的诞生改变了人们的生活方式,丰富了人 们的生活内容,提高了人们的生活品质。随着技术的进步和互联网业务的飞速发 展,传统的互联网、移动性和云计算技术由亍其早期设计的局限性,正面临越来 越多的困难和挑战,阻碍了其进一步发展 本文围绕互联网、移动性和云计算三个方面的内容依次递进展开硏究,将这 三种技术有机融合,首先,针对传统互联网所面临的困难和挑战提岀了一种新型 互联网架构;第二,研究了该架构下旳标识欥射与移动位置管理问题;第三,针 对移动终端的频繁位置更新问题,提出了一种位置更新的优化方法;第四,针对 云计算系统中的虚拟机迁移问题,提岀了一种新型的虚拟机跨三层网络动态迁移 方法。具体地,本文的主要研究内容包括: 针对联网发展所面临的难和挑战,提出了一种基于身份与位置分离的层 次化新型互联网架构。通过对身份属性与位冒属性分离定义,为该架构下移 动性的支持提供基础条件。通过对互联网逻辑结构的分层设计及身份标识与 位置标识的结构化定义,实现该架构下分层编址和分级路由,在核心层以自 冶域寻址取代传统互联网的前缀寻址,大幅降低核心路由表规模,各层 次网络和运营商采用的技术高度解耦,利于网络技术的竞争和多样化发展。 通过在边缘接入网关处进行源位置标识映射和替换,引导到达指定终端的流 量经过指定的上行自治域网络传输,实现对多家乡和流量工程的支持,且不 增加核心路由表规模。 针对所提新型互联网架构下的标识映射与移动位置管理问题,根据该架构三 个层次的逻辑结构划分,首先提出了一种基于两级与汇聚机制的标识映 射与移动位置管理系统,该系统的三个层次分别与所提互联网架构逻辑结构 的三个层次相对应,边缘汇聚服务器层对应互联网架构的边缘接入层,二级 存储域对应自治域层,一级存储域对应核心交换层。利用边缘汇聚 机制实现边缘接入网终内标识映射信息的汇聚,利用二级环实现自治域 北京邮电大学博士学位论文 摘要 网络内终端标识映射信息的分布式存储和査询,利用一级环实现全网终 端标识映射信息的分布式存储和査询。在边缘汇聚服务器上提供标识映射信 息动态更新功能,实现对移动终端的位置更新支持。其次,针对标识映射解 析问题,提出了一种基于多级指针式缓存的标识映射解析性能优化方法,按 照区分类别的方式进行标以映射信息的缓存,克服了无缓存模式下标识映射 解析性能低下的问题和直接缓存模式卜由于终端发生移动而导致的缓存频繁 失效问题,性能分析结果表明在運常情况下该方法能够明显提高标识映射解 析的性能。 针对移动终端由于频繁移动而引发的频繁位置更新问题,提出了一种基于可 变层次注册结构的移动位置管理优化方法,通过在无线网络中部署多级位置 管理服务器,实现对不同切换频率移动终端的位置管理。位置管理服务器根 据移动终端的切换频率及各级位置管理服务器的设定阈值将网络屮移动终端 分別注册到合适的层次,在缓解顶层位置管理服务器压力的冋时,将位置更 新过程限制在当前局部网络范围之内。性能分析结果表眀,该方案能够眀显 降低移动终端的位置更新开销和归属位置管理服务器处理开销,且在参数选 择合理的情况下能够大幅提高移动终端位萓标识解析成功率。 针对云计算系统中的虚拟机跨三层网络迁移问题,将新型互联网架构思想和 无线网络中的移动性管理思想与云计算技术相结合,提出了一种基于身份与 位置分离的虚拟机动态迁移方案。通过将虚拟机的身份标识与位置标识相分 离,实现虚拟机上层业务与垬位置信息的解耦,使得虚拟机跨三层网络迁移 后的位置变化对上层业务透明。引入移动性管理的位置管理技术实现对虚拟 机的位置査询和更新。与已有虚拟机跨三层网络迁移方案相比,该方案无需 更新系统屮的条目,且虚拟机迁移后与原始物理服务器完全解耦,因此 在应用价值方面具有明显的优势。性能分析表明在参数选择合理的情况下, 该方案仅有较小的性能损失和额外信令开销。利用基于 的技术 搭建实验平台,通过实验验证了该方案的可行性,实验结果表明该方案能够 实现虚拟机跨三层网络和跨异构网络的动态迁移而保持上层业务不中断,且 在迁移过程中只有较小的延时和丢包 关键词:互联网架构,软件定义网络,移动性管理,标识映射与解析,云计算, 虚拟机迁移 北京电大学博士学位论文 北京电大学博士学位论文 北京电大学博士学位论文 北京邮电大学博士学位论文 目录 目录 摘要∴ ABSTRACT 目录 图目录. 表目录 XII 缩略语…… 。香B音。 XIlI 第1章绪论 1.1引言 11.1互联概述. 1.1.2移动性概述…… 1249 11.3么计算述… 12本文的主要工作与创新点 13本文的组织结构 13 第2 种新型的互联网架构. 15 21引言 15 2.1.1研究只 15 2.1.2研究现状 19 22一种新型互联网架构 23 2.21架构总… 3 2.2.2标识的定义 25 2.2.3终端协议栈 2.2.4报文封装格式… 28 2.2.5本通信流程… 29 2.2.6路由与转发… 23关键技术… 北京邮电大学博士学位论文 目录 2.3.1路可力展性 37 2.32移动性管埋. 39 2.3.3多家乡 41 2.34流量工程 44 2.3.5端到端化务能力…… 45 24对比分析… 45 25木章小结 47 第3章种基于两级DHT与汇聚机制的标识映射与移动位置管理系统及性能优化方法48 31引言 48 3.1.1研究背景 48 31.2研究现状 49 3.2基于两级DHT与汇聚机制的标识映射与移动位置管理系统 3.21数据结构 51 322标认射注过程 323标识饮射解析过程 324移动终端位置更新过程 3.2.5性能分析 33基于多级指针式缓存的标识映射解析性能优化… 65 3.31某本思想 3.32具体实现 66 3.3.3性能分析 日面·面面面面面 67 34本章小结… ∴70 第4章一种基于可变层次结构的移动位置管理优化方法……72 4.1引言 72 41.1研究背景 了72 4.1.2研究现状 4.2基于可变层次结构的移动位置管理优化 73 4.2.1基本思想 74 4.2.2位置注 4.2 位置查找 4.2.4置更斯 4.3性能分析

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