软件定义为IP网络拥塞控制算法

文摘

计算机网络的快速发展,越来越多的互联网用户,和流行的多媒体应用已经加剧了拥塞控制问题。拥塞控制是一个关键因素在确保网络的稳定性和鲁棒性。底层网络和流动信息未知时,传输控制协议(TCP)必须增加或减少拥塞窗口的大小,以适应变化的互联网协议(IP)的交通网络。然而,有可能是软件定义方法可以更有效地缓解网络拥塞的问题。这种方法的特点是集中控制,可以获得一个全球统一的网络管理拓扑。在本文中,我们提出一个软件定义为IP网络拥塞控制(SDCC)算法。我们认为区别TCP和用户数据报协议(UDP)并提出一个新的方法来判断节点拥塞。我们最初应用在拥挤的节点拥塞控制机制,然后优化控制网络拥塞链路利用率。

1。介绍

近年来,科学和技术的发展增加了用户对计算机网络的需求,加速了网络拥塞问题的严重性。设备的增加需要文件下载和共享的应用程序后,互联网浏览,声音在电话网络,多媒体也导致网络拥塞问题的严重程度。因此,有效的拥塞控制是一个关键因素,以确保IP网络的稳定性和鲁棒性。

有两种方法解决网络拥塞的问题。第一个是端到端方法,研究重点是终端拥塞控制机制,以缓解交通堵塞。第二个是网络侧方法,拥塞控制是通过数据流调度和线路管理转发节点。最初的研究集中在端到端拥塞控制,如传输控制协议(TCP)的广泛使用。由于其良好的适应性和可扩展能力,TCP受到广泛关注,成为目前主要的拥塞控制算法。研究人员在这一领域进行了重要的探索和调查,已经提出了许多改进。例如,最新版本的四种TCP拥塞控制算法,即Veno,韦斯特伍德,Hybla,立方,通过各个包丢失的判断,实现了优化带宽预测,时间延迟补偿,和同质补偿机制,分别‎(1- - - - - -3]。纸‎(4]研究了TCP拥塞控制算法的微观行为特征在多次反射无线网络。纸‎(5)提出了一种自适应cross-layer-based TCP拥塞控制的4 g无线移动云访问。deadline-aware拥塞控制机制,基于参数化的传统TCP新的雷诺拥塞控制策略,提出了在‎6]。

适当限制的每个数据流的最大传输速率可以有效地减少网络拥塞和包丢失。然而,以前的研究报告说,当底层网络和信息流动是未知的,TCP必须增加或减少拥塞窗口的大小来适应变化的交通‎(7- - - - - -9]。这个发现强调传统的IP网络缺乏转发队列的直接控制,不能保证链路利用率和服务质量。我们已经考虑这方面在我们的研究中找出一个解决网络拥塞的问题。

在传统的IP网络体系结构中,控制和转发平面高度集成,网络很难扩展和定制。它有着悠久的技术更新周期和过于依赖网络设备制造商。同时,日益复杂的网络环境很难开发网络和创新相关的物理设备的硬件或软件相关的协议和表演,尤其是专有设备和接口关闭。可编程模型和代码,允许从网络数据传输所需的应用程序。软件定义的技术从应用程序基础设施的十大战略技术趋势被Gartner‎(10]。软件定义网络(SDN)分离的网络控制和转发功能,使网络直接编程,动态的,可控的。控制平面和数据平面的分离使得核心技术OpenFlow实现灵活的网络流量的控制,使网络更加聪明,和提供更好的平台,网络应用创新‎(11- - - - - -13]。

在这项研究中,我们使用一个软件定义的方法来解决IP网络拥塞控制问题。与现有文献相比,本文有以下主要贡献:(我)一个全面的调查提出了IP网络拥塞控制的。在传统的网络中,底层网络和流动信息是未知的。它必须增加或减少拥塞窗口的大小调整流量的变化,虽然软件定义的方法可以更有效地缓解网络拥塞的问题。因此,我们提出一个软件定义为IP网络拥塞控制(SDCC)算法。(2)在IP网络的数据流类型。TCP和UDP指出之间的区别。TCP和UDP的不同特点的基础上,我们提出一个新的方法来判断拥塞的节点。(3)我们算法的仿真全面解释道。我们考虑链路的丢包率和优化利用。仿真表明,该算法实现了网络拥塞控制和优化链路利用率。

在下面几节中,我们首先讨论现有的IP网络拥塞问题研究基于SDN节2。部分3提出了一种IP网络SDCC算法。由仿真结果证实了算法的有效性实验,描述的部分4。最后,本文的结论部分5。

2。背景

2.1。相关工作

使用软件定义网络拥塞控制方法仍处于开发的早期阶段。Ghobadi et al。‎14)提出了一个基于SDN-OpenTCP TCP动态调整框架。OpenTCP SDN应用程序部署在一个SDN控制器使用的全球网络视图SDN和建立基于好的策略机制与转发节点,修改终端协议栈继续码头拥堵的动态调整机制来实现优化。它填补了SDN拥塞控制领域的应用差距和非常有趣。然而,OpenTCP广泛部署的新架构,需要修改它的源端,转发节点,控制器,和其他全球网络提供支持。这个框架还说明了TCP动态管理策略对经理和没有开放的具体调整方法和调整目标。长et al。‎(15)提出了一种基于OpenFlow的网络拥塞控制机制,这被认为是第一个SDN标准。这种机制是基于OpenFlow网络特性,定义一个方法判断链路拥塞控制阈值。当网络拥塞发生时,立即启动相应的拥塞控制机制,和最大带宽数据流在拥挤的链接标识和路线来实现负载平衡。陆et al。‎16)提出了一个支持多个活动队列管理的拥塞控制算法。互动链接信息的动态自适应算法,可以有效地利用带宽和网络拥塞控制。戈拉米和阿克巴里‎17基于SDN和OpenFlow]提出了一种方法来解决这个问题。在这种方法中,由中央监控检测到链路拥塞的港口统计OpenFlow启用开关,在任何拥挤的链接和一些流动路线的OpenFlow控制器。这种方法强调了SDN解决交通拥堵问题的有效性。有et al。‎18)也提出了一种新的基于SDN拥塞优化算法。该算法选择为每个数据流提前最短路径。当发生网络拥塞时,顺序遍历路径来确定道路不拥挤。这种方法在一定程度上实现负载平衡;然而,它也有一个重要的计算开销。与此同时,这些方法并不考虑数据流的类型。如果选择路由涉及到UDP数据流要求很高的时间表,但允许丢包,延迟新变更的最短路径是大。然后,这个路由策略可能不是最优的选择。因此,我们认为不同类型的数据流算法。

2.2。软件定义的方法的关键原则

SDN是一个成熟的软件定义区域,来自斯坦福大学的白纸研究‎19,20.]。它被认为是一种新型的网络体系结构和实现网络虚拟化的一个方法。它的核心概念是独立的控制平面和数据平面网络硬件设备。软件编程实现在控制飞机。SDN架构可分为三个层次:应用程序层,控制层,设备层。它具有以下三个基本特征:集中控制,可编程软件,网络虚拟化。

OpenFlow网络是由OpenFlow开关和OpenFlow控制器。开关和控制器建立安全连接的传输层安全性(transport layer security, TLS)或TCP OpenFlow消息交互之前,发行流程表,信息查询,报告界面状态,和其他功能。

OpenFlow网络、控制器首先发送链路层发现协议(LLDP)消息(封装在盒子消息发送)的每个OpenFlow开关获得全球网络拓扑。然后,开关经常埠状态信息发送给控制器报告每个开关的端口信息。这些信息,包括数据流头和传输速率,是记录在数据信息流中每个端口的交换机。

3所示。软件定义拥塞控制算法

探讨软件定义的使用方法在解决IP网络拥塞控制问题。我们提出一个SDCC算法TCP和UDP的区别,新方法在判断拥塞的节点,和开始的拥塞控制机制在拥挤的节点,然后控制网络拥塞优化链路利用率。

SDCC算法的主要概念是基于SDN架构,每个开关的控制器获取端口信息监控拥挤的链接。如果存在网络拥塞,拥塞控制机制启动,然后选择一个或多个适当的数据流,和最短的重路由路径计算来控制交通拥堵。这个过程允许网络带宽资源的有效利用和提高链路利用率。

我们考虑数据流条件在现实网络和主要集中在TCP数据流之间的异质性和UDP数据流在提出这种拥塞控制机制。

流程如下:控制器获得全球信息和定期监测网络拥塞状况;基于公式(估计是否有拥挤的链接1);如果发现拥挤的链接,它从拓扑中移除图像生成一个新的拓扑图像;计算最后一个节点之间的最短路径的拥塞的节点到目标节点;和选择一个或多个适当的数据流改变。

3.1。估计拥挤的链接

OpenFlow网络,控制器,根据OpenFlow v1.0标准规范,获得一个全球网络拓扑图像通过LLDP然后发送端口状态信息请求消息到每个OpenFlow经常开关。OpenFlow交换机收到这个信息和反馈控制器数据信息流交换机的每个端口,如数据流头和传输速率。

如图1控制器检测到,OpenFlow网络数据流 在R1, R2链接,每个数据流的速率 。此外,有UDP数据流和TCP数据流。

假设链接R1, R2的总带宽 ,和链接拥堵阈值(具体的价值是根据网络环境的物理性质)。TCP流的拥堵阈值在这个链接,链接的盈余最大带宽的TCP数据流后满足UDP数据流传输的需求如下: 在哪里 ,是TCP流的总速度,初始值的和是0。然后,如果 ,我们确认R2处于充血状态,R1, R2的联系是拥挤的链接。该算法在算法估算拥挤的链接1。

3.2。计算重路由链接

现在,控制器需要选择一个新的路径重路由数据流在拥挤的链接的一部分。控制器会删除所有估计拥挤的链接从全球网络拓扑图像,然后获得一个新的noncongested网络拓扑图像如图2。在具体执行中,我们设置链接路径距离无穷实现删除。

然后,使用最短路径算法来计算最短路径与非拥挤的最后一个节点的节点到目标节点,最后选择合适的数据流转移到这个新的路径来完成传输,OpenFlow的算法提出了网络路由算法2。参数代表UDP数据流和参数代表TCP数据流。参数代表了数据流。

3.3。选择路线的数据流

考虑到UDP数据流总是强调转移时间短和高效率的要求,我们选择TCP数据流重路由。假设有TCP数据流 在一个拥挤的链接,每个数据流的速率 ,我们获得以下:

确保链路带宽利用率高,当TCP流的总速率在这个链接减率的一部分 ,和一个新的TCP流最接近,然后我们保证数据流 重路由传输是最优选择。重新路由选择算法的数据流算法3。参数代表了最合适的数据流的数量。

4所示。实验和结果

4.1。实验设计

我们考虑数据流条件在现实网络和主要集中在TCP数据流之间的异质性和UDP数据流在提出这种拥塞控制机制。在我们的测试环境中,控制器获得全球信息并定期监控网络拥塞状况。控制器估计是否有拥挤的链接。如果发现拥挤的链接,它从拓扑中移除图像拓扑生成一个新的形象。控制器计算出最后一个节点之间的最短路径的拥塞的节点到目标节点。最后,控制器重新路由选择一个或多个适当的数据流。

来验证提出的拥塞控制机制使用OpenFlow网络,我们建立了测试环境,如图3。OFS1、OFS2 OFS3 Mininet OpenFlow开关的模拟;OFC是OpenFlow控制器与痘‎(21];PC1-PC6是常见的用户终端,我们使用Iperf工具在用户终端发送的数据流。

我们添加了链接监控、拥塞检测、选择路线数据流,和最短路径计算功能模块在痘控制器,结合现有的拓扑发现模块和流程表更新实现提出的拥塞控制机制。每个模块的运行流程如图4。

痘控制器启动后,LLDP协议是首次运行获得整个网络拓扑结构,然后触发拥塞检测模块定期(实验设置2 s)查询每个OFS每个端口的状态信息和记录每个流动通过这个端口的数量和大小。然后,控制器将添加的所有数据流在一起。我们发现NetFPGA港口行速度是1 Gbps。经过多次实验,当端口速率达到950 MB / s,丢包率将很快达到2%,这是标准的通用业务需求。因此,模拟真实的网络环境,我们设置了港口拥堵阈值在950 MB / s在我们的测试。

4.2。结果和分析

为了便于测试,我们建立了四个数据流Iperf(如表所示1),集OFS1-OFS2路径1和OFS1-OFS3-OFS2路径2。确定的最短路径算法,这四个流动将传播路径1。在这个实验中,随着时间的推移将会增加。

(1)链路带宽。图5显示了完整的路径1和2加载路径的过程数据流量。首先,两个链接保持一个稳定的趋势没有大的波动。当增长率达到大约350 MB / s,一个明显的转折点发生如图6。这时,离岸金融中心发现OFS2链接是拥挤的,选择最合适的数据流(在实验中通过这个链接)从所有数据流。最后,流改航路径2,因为我们只选择TCP数据流重新路由算法,和UDP数据流不调整与算法的目标一致。

图5

链路的带宽。

图6

链路带宽的转折点。

图6提供详细的链路带宽的转折点。然后,路径1加载减少150 MB / s从950 MB / s到800 MB / s。此外,在加载路径2显著增加大小约为150 MB / s,这解释了的传播路径2。拥堵缓解后,加载路径1继续稳步上升的增加数据流,直到下一个拥堵。

(2)数据包损失率。丢包率如图7的增加路径1的丢包率增加,但总体趋势和价值都很小,在一个合理的范围内。当达到350 MB / s,丢包率观察到一个明显的增加。丢包率急剧增加到2%,这表明它已经达到了一个拥堵的状态。时的速度从350 MB /秒增加到400 MB / s,有一个明显的下降过程,显示了拥堵救济和丢包率回到一个合理的范围内。

图7

丢包率。

(3)链路利用率。在流的全部阶段率从0到400 MB / s,该算法的平均链路利用率约为78.5%,而LABERIO算法平均链路利用率约为74%。图8显示,当没有发生拥堵,链路利用率没有多大差别。然而,当拥塞发生时和拥塞控制执行,SDCC算法提出了不大幅波动。此外,该算法仍保持着高的链路利用率。首先,利用路径1链接开始在60%左右,显示了一个线性增长趋势与流的流量 ,在最大链路利用率可达95%。当流速达到350 MB / s, SDCC算法的链路利用率约为80%。此外,后续的增长率流表现出上升趋势。然而,LABERIO算法显著下降不到60%,随访显示几乎没有增长的趋势。因此,SDCC算法优于LABERIO算法链路利用率。

图8

链路利用率。

(4)复杂性。最后,SDCC算法的复杂性分析显示了相当大的属性,主要是相关的计算三个部分,即拥挤的实时监控和判断链接,新的最短路径计算重路由,路由数据流的选择。如果在网络拓扑和节点存在数据流上的链接,这三个部分的时间复杂度 , ,和 。

因此,结果显示我们的拥塞机制的有效性。有效缓解拥堵,保证了丢包率和链路利用率。

5。结论和未来的工作

IP网络拥塞是一个常见的问题,但目前的发展水平在传统网络算法是不足以满足日益增长的网络需求。软件定义的方法是需要找到一个解决网络拥塞问题。使用SDN网络集中控制的特性,我们提出了一种新的网络拥塞控制算法称为SDCC算法。SDCC算法是基于SDN架构,它可以获得一个全球统一的网络管理拓扑。SDCC算法能更有效地减轻网络拥塞的问题。我们认为TCP和UDP的区别,提出了一种新的方法在判断拥塞的节点。此外,仿真显示了我们的拥塞机制的有效性。该算法实现了网络拥塞控制,保证了数据包损失率,并优化链路利用率。在未来的工作中,我们将应用软件定义数据中心网络或其他方法更为复杂和特殊的网络深度解决拥堵问题。此外,我们仍然可以优化我们的算法考虑到UDP数据包的不同属性或其他类似因素和添加不同的参数提供一个公平和准确的数据流选择策略。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这部分工作是支持由中国国家自然科学基金(61572191和61572191)。