开关软件定义网络数据包调度在边缘的计算环境

文摘

软件定义网络(SDN)控制平面和数据转发平面的耦合,以克服传统的网络基础设施的限制。几个通信协议用于SDN, OpenFlow是最广泛使用的控制器和开关之间的沟通。本文两个数据包调度计划,FCFS-Pushout (FCFS-PO)和FCFS-Pushout-Priority (FCFS-PO-P),提出了有效处理开关的过载问题SDN目标边缘的计算环境。分析模型在他们的业务开发和广泛的实验基于一个试验台进行评估方案。他们发现他们两人比典型的FCFS-Block (FCFS-BL)调度算法的分组等待时间。此外,FCFS-PO-P比FCFS-PO发现更有效的计算环境。

1。介绍

如今,传统的IP网络很难处理大量的交通快速发展的物联网中生成(物联网)。作为一个有效的解决这个问题,一种新型的网络范式叫做软件定义网络(SDN)被提出1]。在SDN网络的控制平面和数据平面是解耦的,与传统网络。SDN开关的作用是提供数据包,而控制器安装单独控制整个网络。OpenFlow [2)是一种最流行的之间的通信协议开发的控制器和开关在SDN,和只有一个开放的协议(3]。

物联网的扩散和丰富的云服务的成功诱导地平线新的计算模式称为边缘计算(4]。这里如何有效地向相关交付物联网节点的数据开关是一个关键问题。虽然存在大量节点的计算环境,其中一些部署检测关键事件,如火灾或地震。对于这种特殊的边缘节点,数据必须与最高优先级交付由于其重要性。因此,有效的基于优先级的调度和一个健壮的排队机制必须最大化网络数据处理的性能发生在网络的边缘。各种网络交通量也需要考虑准确估计的性能(5),允许早期识别潜在的交通热点或瓶颈。这是一个基本的问题在部署的SDN边缘计算。

最近,许多研究已经进行了控制器的性能最大化和SDN OpenFlow开关。然而,我们所知,小探索存在SDN交换机的性能优先级调度。这无疑是一个重要的问题边计算自边缘节点基于优先级的处理接收到的数据。此外,与多个交换机优先级调度是必要的。在这篇文章中,因此,优先调度方案开关SDN提出。这里纸包消息可以发送到控制器的开关。的基础上米/GOpenFlow switch / 1排队模型,先到先Served-Pushout (FCFS-PO),先到先Served-Pushout-Priority (FCFS-PO-P)机制提出了高效处理过载的问题。FCFS-PO,数据包根据到达的顺序,而最古老的一个是推出当缓冲区满了。FCFS-PO-P,包是通过优先级的顺序FCFS-PO之上。广泛的实验在实验表明FCFS-PO-P调度允许更好的性能比FCFS-PO逗留和等待时间不同的交通状况。此外,他们都显示小得多的等待时间比典型的FCFS-Block (FCFS-BL)调度。总结了论文的主要贡献如下:(我)数据包的调度问题是认同了SDN控制器在边缘的计算环境。FCFS-PO和FCFS-PO-P调度方案提出了应对这一问题(2)分析模型,提出了调度方案是开发利用排队理论,可应用于基于优先级的调度方案的评价(3)调度的数据包调度问题求解SDN控制器在边缘计算环境中显示通过比较该方法与现有的方法

剩下的论文结构如下。部分2概述了SDN和边缘计算。节3提出了基于优先级的调度方案开关SDN连同他们的分析建模。部分4评估该方案的性能。最后,部分5总结了论文,概述了未来的研究方向。

2。相关工作

SDN将从底层路由器和交换机的控制逻辑。它促进逻辑集中网络控制,介绍了网络编程的能力6- - - - - -8]。因此,灵活的、动态的和可编程的功能可以提供网络运营。然而,牺牲的优点是实现了数据包处理速度等重要的网络性能和吞吐量9),这是归因于一个远程控制器的参与管理的所有转发设备。

2.1。SDN

SDN是来自加州大学伯克利分校和斯坦福大学的一个项目(10]。在SDN网络控制平面决定交通路由和负载平衡解耦从数据转发平面交通到目的地。网络直接编程,基础设施允许抽象灵活支持各种应用程序和服务。专家和厂商宣称,这极大地简化了网络的任务(11]。存在三层在SDN与传统的两层网络,和一个典型结构的基于OpenFlow SDN协议是描绘在图1。

控制平面和数据平面的分离可以实现通过一个定义良好的控制器和开关之间的编程接口。控制器直接控制练习覆盖数据平面元素的状态通过一个定义良好的应用程序编程接口(API),如图1。最著名的例子这样的API是OpenFlow。存在一个或多个表packet-handling规则OpenFlow开关(流表)。流表的每个条目由六个领域的主要是列在表中1。规则是与交通的一个子集,和适当的操作,如删除、转发,和修改应用于交通。流表是用于确定如何处理传入的数据包。

控制器和开关之间的通信协议尤为重要,由于两架飞机的解耦。广泛用于SDN OpenFlow协议,它定义了API之间的通信图2说明了。

在SDN控制器开关的操作流表添加、更新和删除条目。操作发生要么反动地开关的控制器接收一个包或主动根据OpenFlow控制器的实现。一条安全通道支持之间的通信控制器和开关。OpenFlow开关基于流的转发支持通过保持一个或多个流表(12,13]。

在熊等。14)排队模型提出了估算SDN控制器的性能与输入混合泊松流纸包的消息。他们还模仿OpenFlow交换机的数据包转发的数据包逗留时间(15]。在Sood et al。16)一个SDN开关开发的分析模型,包括如流盘大小的关键因素,包到达率,数量的规则和规定的位置。马等。17)关注延迟估计与实际流量和端到端延迟控制。提出了一种模型在Mahmood et al。18]接近多个节点的数据平面杰克逊作为一个开放的网络控制器。混合路由转发方案以及拥塞控制算法在沈et al。19)解决交通调度和负载平衡问题在软件定义移动无线网络。在苗族等。20.SDN的性能是研究使用马尔可夫调制泊松过程(MMPP)猝发性及相关移民的存在。

2.2。边缘计算

新时代的计算模式称为边缘计算,数据传输服务的网络优势包括分析。结果,计算发生接近数据源(21]。传感器节点部署在环境的数量迅速增加是由于近年来物联网的患病率。边缘的计算是一个新兴的生态系统,旨在融合电信和IT服务,提供一个云计算平台在整个网络的边缘。它提供了存储和计算资源的优势,减少延迟,提高资源利用率。一个简化的计算是描绘在图结构的优势3。

作为物联网的未来愿景,SDN可以集成的最新发展与边缘计算提供更高效的服务。如何使边缘节点更有效的在处理数据是一个十分关注的问题。此外,有必要准确地估计OpenFlow开关的性能更好的使用。而超过成千上万的边缘节点可能存在在现实环境中,有些是部署在关键区域的数据必须以高优先级处理。因此,基于优先级的调度是不可避免的动态控制的操作网络考虑交通量的财产。

3所示。该方案

在这一节中提出的调度方案SDN有多个开关和提出了分析模型的性能。首先,优先级调度方案用一个开关和控制器。然后,FCFS-PO FCFS-PO-P方案介绍了基于多个交换机可有效处理开关过载问题。

3.1。优先级调度单开关

3.1.1。基本结构

SDN可以轻松实现一项新计划在现有网络基础设施通过解耦控制平面和数据平面和连接通过一个开放的接口。一个开关和控制器的SDN是描绘在图4。

控制器和开关OpenFlow协议支持它们之间的通信。当一个包到达OpenFlow开关,开关与其流表执行查找。如果一个表项匹配,开关将数据包转发的传统方式。否则,切换请求的控制器指令通过发送一个纸包消息,封装的数据包信息。控制器确定的规则,这是安装在其他开关。属于流之后,所有的数据包转发到目的地没有再次请求控制器(15]。数据包的过程见图匹配操作5。注意图,从传入的数据包和纸包消息排队。这里传入的数据包和纸包消息处理米/G/ 1模型和米/米/ 1模型,分别在现有研究[14,16]。

3.1.2。基于优先级的调度

参见图5。传入的数据包OpenFlow switch排队,他们将通过先或先优先级调度策略(FCFS-P)。先申请常规交通,而FCFS-P申请紧急的数据包。

的先米/G/ 1排队系统,一个数据包的平均逗留时间是由两个部分组成的。第一个组件是数据包的处理所需的时间是在队列中等待的时候包的到来,和第二个是由于包的服务。第二个组件是零如果系统繁忙,虽然是零如果系统是空的。考虑到两个组件,一个数据包的平均逗留时间先调度方法如下。与米/G/ 1队列,λ泊松过程到达率和吗平均服务时间。本节的模型可以在[指22]。

在这里是在队列中数据包的数量,ρ队列的概率是很忙,x²/ (2 )服务的平均剩余寿命。采用小的方程和P- - - - - -K(Pollaczek和Khinchin)方程(1)可以表示如下:

FCFS-P模型不同于先米/G/ 1队列由于无序操作。存在几类的包有不同泊松到达率和服务时间。假设有米类,和平均服务时间和到达率类-我,分别。系统的时间分数类——工作我然后 。根据优先级数据包处理的先发制人的节点,而较小的类数给出更高的优先级。

在米/GFCFS-P / 1排队系统,传入数据包的平均逗留时间由三个部分组成。第一个组件是目前正在使用的数据包所花费的时间完成,年代₀。第二个是所花费的时间的服务包中等待队列的优先级高于或等于它。第三个组件的服务包到达后本身,而是有更高的优先级。类——的数据包的数量米是根据小的结果定理(23]。因此,FCFS-P的逗留时间米/G/ 1排队系统如下:

方程(3)可以通过递归地应用解决方程如下:

抢占式调度,年代₀是由于高优先级的数据包。因此,它可以表示如下:

3.1.3。纸包消息

如前所述,OpenFlow开关有关控制器发送一个纸包消息流设置请求当一个数据包无法匹配流表。纸包的处理消息的图如图6。注意,纸包消息都有一个一一对应的过程的过程流的到来无论开关连接到控制器的数量。每个流都要遵循泊松分布。因此,纸包消息来自几个开关构成的泊松流叠加定理(15]。

3.2。优先级调度与多个开关

3.2.1之上。基本结构

自从SDN解耦控制平面和数据转发平面,数据传输包括两个类型。从边缘节点开关,另一个是切换到远程控制器的纸包消息。见图7。

至少有一个流表OpenFlow开关,并传入的数据包从第一个流表匹配。在与一个流条目,条目流执行的指令集。表小姐,有三个选择:下降,转发到后续流表,并传输到控制器作为一个纸包消息。一个选项被选中时由程序员流表发送到OpenFlow开关。

3.2.2。FCFS-PO调度

FCFS-PO,如果缓冲满是当一个数据包进入,这是为队列的尾部,包在推出。所有的数据包包时向前移动一个位置。包的位置在缓冲等待数据包的数量决定。

FCFS-PO机制建模假设数据包到达开关遵循泊松到达率 。这意味着interarrival时报是独立和遵循指数分布。包服务时间也独立,遵循通用分布(1 /μ)。同时,假设系统可以包含N包最多和缓冲区大小( )。最后,到达过程和服务过程被认为是独立的。

假设 ( ))的稳态概率米/G/ 1 /N队列,而 代表的稳态概率米/G/ 1队列。问_我获得如下使用方法用于[24]:

的稳态概率吗一个包已经在系统中当一个新包的到来。

然后,根据泊松到达看到时间平均(意大利面)字符(24,可以获得以下方程:

在这里 。和两个性能指标稳定状态的队列处理如下:(我)数据包的概率获得服务, , (2)系统的丢包率, ,

FCFS-PO机制,当缓冲区满包,传入的数据包将最后,和缓冲区管理政策将推动head-of-line(假日)包为新传入的数据包。让我们表示的 稳态概率包的状态 ,这最后一个包离开的时候服务系统。当 ,服务包。当 和 , 需要等待服务。假设有传入的数据包,数据包在服务。然后, 为 获得服务。如果 ,没有包都将被排除在外。然后,从包的位置改变 ( , )。缓冲区已满 ,和传入的数据包将position_2的包。然后,从包的位置改变 来 , 。最后,状态转换关系方程 方法如下(25]:

在这里可以获得的结果嵌入马尔可夫点(26]。然后,分析了平均等待时间。下面的布尔函数是用来显示如果包是否为:

使用(9)和(10),的概率 和 函数可以很容易获得。

让 代表传入的数据包的数量包被服务是当前包的剩余时间的服务。Laplace-Stieltjes变换(LST)得到如下: 表示由 的平均等待时间 直到它最终获得服务,等待时间不超过 。然后,的概率 显示如下: 所以, 可以得到:

有条件的平均等待时间 如下:

在这里和 是由(8)和(13),分别。 是由(15)。

3.2.3。FCFS-PO-P调度

在FCFS-PO-P建模,传入的数据包的到达过程和服务过程是一样的FCFS-PO的建模。在本文中,假设新传入的数据包中最高优先级数据包已经在队列中。然后,新传入的数据包将在前面位置服务第一。和缓冲区管理政策推动position_包N最长的等待队列中。让表示在position_包的稳态概率一个最后是服务。FCFS-PO-P政策, 等待的序列。假设米传入的数据包到达时服务包。然后, 包服务,移动到position_ 当服务结束。的状态转换关系方程如下(25]:

同样的,可以从[获得26]。现在,平均等待时间进行了分析。的概率的服务和服务时间不超过是 。假设以下方程的LST :

类似于(17),递归方程 得到:

让表示平均等待时间直到最后得到服务。类似于(14)和(15),可以得到如下:

最后,平均等待时间如下:

4所示。绩效评估

在本节中,提出了调度方案的性能评估OpenFlow开关。

4.1。实验环境

试验台是用三个覆盆子π节点实现的实验。优先级调度的数据收集从试验台,并比较与分析模型。Open vSwitch是安装在覆盆子π节点来实现真正的开关和OpenFlow协议。Open vSwitch是多层,开源虚拟交换机针对所有主要管理程序平台。专为网络虚拟环境中,因此它是完全不同的从传统软件开关结构27]。覆盆子π的参数节点表中列出2。

实验一个远程控制器和三OpenFlow开关实现。三个覆盆子π节点OpenFlow开关,操作和照明灯安装在另一台计算机作为一个远程控制器。泛光灯是一个基于java的开源控制器,它是一个最受欢迎的SDN控制器支持物理和虚拟交换机OpenFlow兼容。它是基于培根控制器从斯坦福大学28]。注意四个网络接口提供的覆盆子π节点。因此,三个OpenFlow开关安装在收集数据,使用一个接口连接到控制器的网络。网络交通量由软件工具生成“iPerf”[29日]。选择一个主机作为服务器,另一个作为iPerf终端。然后,主机发送数据包到服务器的UDP协议在200 mbps的带宽。

4.2。仿真结果

首先,提出了调度算法的仿真结果与一个开关。图8比较了先和FCFS-P调度算法。注意,FCFS-P算法主要原因比先延长逗留时间的算法。FCFS-P算法有时会显示类似的性能时先传入的数据包有很高的优先级。

图9比较了实验数据和分析模型。正如上面提到的,三个变量,λ, ,和ρ先使用的调度算法。类似于以前的研究(13),λ和实证组2和0.016,分别。ρ将是0.1,0.5,和0.9检查性能与各种条件。它表明,数据稳定,仿真时间的流逝,和ρ0.5允许最近的估计。

图10FCFS-P的情况。这里的值ω₀, ,λ_我,0.02,0.018,0.016,2,分别。在这种情况下,ρ0.9展示了最好的结果。

假设 和 。图11比较了FCFS-PO和FCFS-PO-P各不相同。观察图的平均等待时间与FCFS-PO-P小于FCFS-PO机制。

等待时间的概率密度函数与FCFS-PO在稳定状态如下30.]:

在这里是n倍的卷积和 的卷积和 。传入的数据包将会直接处理系统中如果没有包等,这意味着等待时间的包是0。系统空闲的概率和的概率是有吗n 系统中数据包等待。然后,传入的数据包将在position_等 。的总等待时间由剩下的服务时间和服务时间的包在它前面。可以获得的平均等待时间如下:

相比FCFS-BL和FCFS-PO FCFS-PO-P机制图12。FCFS-BL,传入的数据包丢失如果缓冲区已满。注意图,从推出机制比提单机制更有效。特别是,优势越高λ增加。一般来说,FCFS-PO-P三方机制是最好的机制。

5。结论

摘要FCFS-PO开关和FCFS-PO-P调度算法提出了SDN目标边缘的计算环境。由于存在一些节点要求紧急处理在这个环境中,提出了基于优先级的调度方法。一些开关可能超载如果数据包到达率高,和提出FCFS-PO FCFS-PO-P机制能够有效地处理这种情况。SDN环境实施三个覆盆子π节点开关和一个独立的计算机远程控制器,逗留时间和等待时间进行了分析。从实验测量数据比较与分析模型来验证它们。实验结果表明,该FCFS-PO-P调度比FCFS-PO调度基于等待时间。与现有FCFS-BL调度算法的比较表明,FCFS-PO-P调度是其中最好的,而FCFS-BL是最糟糕的。

几个参数值设置为网络操作经验。将来分析模型将由它的值参数可以适当的决定。同时,更全面的了解SDN调度问题的基于纸包的过程信息米/米/ 1模型将开发。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作在一定程度上支持的信息与通信技术促进研究所(IITP)授予由韩国政府资助(MSIT)(2016-0-00133,研究边缘计算通过集体智慧hyperconnection物联网节点),韩国,在西南监督国家卓越计划的IITP(信息与通信技术促进研究所)(2015-0-00914),基础科学研究项目通过韩国国家研究基金会(NRF)由教育部、科学与技术(2016 r1a6a3a11931385,研究基于软件定义的关键技术的无线传感器网络实时公共安全服务;2017 r1a2b2009095 SDN-based WSN研究支持实时流数据处理和multiconnectivity),第二大脑韩国21 +项目,和三星电子。

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