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《西北大学》 2017年
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面向大数据的高性能网络传输关键技术研究

王永强  
【摘要】:当今的大规模科学研究需要相互协作,需要整合国家乃至全球的分布式资源并协调多个部门来完成单个团体不可能完成的任务,各种科研和商业数据中心、高性能计算中心也迫切需要快速可靠的网络链接。传统互联网已经不能满足这些迫切的网络需求。近年来基于电路交换、MPLS/GMPLS隧道技术及SDN的高性能网络的出现,成为解决该问题有前景的方案,它是具有高带宽且支持带宽预留的计算机网络,它们的意义已经被越来越多的科学和网络研究团体认可。怎样提高网络利用率和满足不同的应用需求,支撑大数据下的网络应用,是摆在科研人员面前的迫切任务。高性能网络的两个方面带宽调度和传输控制自高性能网络诞生以来已经成为研究热点,而且每个方面都取得了显著的成果,但是带宽调度领域内大部分工作都是针对即时性带宽调度,近年来,多预留请求的周期性带宽调度越来越成为人们关注的焦点。相比即时性带宽调度,它的好处是可以从网络资源全局的视角来提高网络资源的利用率和满足多种用户需求。终端主机的传输控制方法在有效利用高速链接所提供的带宽扮演做非常重要的角色,因为即使一个专用的通道在高性能网络中建立起来,端到端的数据传输性能很大程度上依赖于终端主机使用的传输协议。此外,传统上带宽调度和传输控制作为两个相互独立的研究领域来进行探讨,但是它们作为数据传输的两个方面并不是完全相互独立,而是有错综复杂地相互作用。本文主要研究了周期性带宽调度问题和对带宽调度和传输控制作为一个整体研究周期性带宽调度问题,首先针对两个周期性调度问题提出新方法,又提出两种周期性带宽调度新问题并进行算法设计与评估,最后探讨了一种与传输控制相结合的周期性带宽调度问题,本文工作的主要创新研究如下:(i)基于固定时隙的带宽预留周期性调度问题,该问题定义为M-FSFB问题,它是NP完全问题,目标是在高性能网络中最大化满足固定时隙的带宽预留请求的个数。该问题的带宽预留请求包含五个参数:源节点,目标结点,指定带宽,开始时间,结束时间。带宽预留请求的分布有三种情况:a)所有时隙相同;b)带宽时隙部分重叠;c)时隙完全不相交。本文首先针对第一种情况提出了一个最小资源占用算法MinRO-IS,又提出一个更加泛化版本的算法MinRO并同时设计了MinBO、MinBSO、MinSHO、MinBHO四个贪心算法作为性能比较。大量仿真实验表明该两个算法用户调度率分别超过了文献中的MBDPA和Greedy算法和其它四个贪心算法。(ii)基于截至期限的带宽预留周期性调度问题,定义为M-DCBS问题,用户有四个参数:文件大小,局域网最大带宽,可能的数据开始传输时间,数据传输截止期限。文献中在给定网络路径上提出一个资源预留算法RRA来最大化成功调度的用户数和最小化所有用户的总传输时间两个目标。RRA不足之处是算法迭代多复杂度高,而且第二个目标总是受限于第一个目标。本文提出MUNRRA算法来最大化用户数,大量仿真实验显示MUNRRA算法比RRA算法就调度率呈现更好的性能,同时执行时间随着问题规模增大远远小于RRA算法,而且有较小的平均数据传输时间。(iii)固定区间浮动时间期限的带宽预留周期性调度问题,本文提出一个新的周期性带宽调度问题,在固定的网络路径上最大化基于固定区间浮动时间期限的带宽预留请求用户的个数,定义为FBFS-DC问题。该服务模型指定四个参数:固定带宽,时间区间,数据集可以传输的最早时间,必须完成的最晚时间。本文给出了该问题为NP完全的证明,提出了基于带宽和时隙乘积的调度算法Product-BS,同时设计了Slot-BS、BW-BS、FCFS-BS三个Greedy算法作为性能的比较。大量实验表明Product-DS就调度率性能显著高于另外三个算法。(iv)可变时隙与带宽的周期性带宽调度问题,该问题是一个新的带宽调度问题,定义为VSBR-DC问题并建立数学模型,目标是在固定的网路路径上最大化可变时隙和带宽预留的用户个数。该服务模型指定四个参数:数据大小,局域网最大带宽,最早可能传输时间和最晚传输结束时间。本文证明该问题为NP完全问题,提出了基于最优调度顺序和调度策略的算法OSOAS-BS来解决该问题,并同时设计了Deadline-BS、Availability-BS和FCFS-BS三个算法作为性能比较。大量仿真实验表明OSOAS-BS算法调度率性能优于其它的三个算法。(v)自适应终端吞吐量估计的周期性带宽调度问题,本文提出了一个带宽调度和传输控制的集成优化问题,问题定义为PFWR-DC,目标是在给定的网络路径上最大化满足基于终端吞吐量估计的浮动窗口用户请求的个数。本文证明了该问题为NP完全问题,定义该服务模型为窗口大小,最早可能传输时间和截止期限的三元组,提出了一个集成的带宽调度算法ProductWT-BS,该算法基于滑动窗口大小和终端吞吐量估计值的乘积作为调度顺序和优化的调度策略进行周期性带宽调度,同时也提出了Dur-BS、TP-BS、DL-BS、Ava-BS和FCFS-BS五个算法进行性能比较。大量仿真实验表明本文提出的ProductWT-BS的调度率性能显著超过另外的五个算法。
【学位授予单位】:西北大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TP393.0

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