北京交通大学大学生创新训练项目选题申报书

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1、北京交通大学大学生创新训练项目选题申报书项目名称基于OpenFlow的交织网流量均衡策略的研究及实现申请金额：8000元起止年月：2014年4月至2015年3月1.项目来源：DA VB C说明：“A”为学生自主选题，来源于自己对课题的长期积累与兴趣；“B”为学生来 源于教师科研项目选题；“C”为学生承担社会、企业委托项目选题2.来源项目名称：认知异构网络下基于混杂控制理论的海量视频流传输性能优化模 型的研究来源项目类别：国家自然科学基金项目说明：“来源项目类别”栏限“B”和“C”的项目填写，“来源项目类别”栏填写“863 项目”、“973项目”、“国家自然科学基金项目”、“省级自然科学基金项目

2、”、“教师 横向科研项目”、“企业委托项目”、“社会委托项目”以及其他项目标识。3项目所属一级学科：姓名学号所在学院及专业联系电话分工签字项 目 组计算机学院计科OpenvSwitch计算机学院计科OpenvSwitch成 员计算机学院计科Controller计算机学院计科Controller指导教师姓名职务/职称所在学院及研究方向联系电话E-mail签字副教授计算机学院、计算机应用技术副教授计算机学院、计算机应用技术4.指导教师承担科研课题情况： 基本科研业务费：高速移动异构网络海量视频流无缝传输动力学特征的研究， 2014-01-012015-06-30 北京父通大学：基于OpenFlow

3、拥塞控制的无阻塞多层父织路由器，2013 06 15-2015-06-30 其它部市：走近奇妙的物联网，2012-12-302014-10-31 国家自然科学基金青年基金：认知异构网络下基于混杂控制理论的海量视频流传输性能优化模型的研究，2013-01-012015-12-31 基本科研业务费：多域认知网络功率和速率协同控制策略的研究，2011-07-01- -2012-12-30 北京交通大学：LTE-A系统多用户MIMO的预编码研究及仿真，2010-12-10-20 11-03-25 北京交通大学：多用户OFDM跨层调度模型中带宽预留机制的研究，2010-12-15 -2012-06-01

4、 北京市自然基金“面上”：认知MIMO系统的发射机、接收机与QoS调度，2010 -01-01-2012-01-12 基本科研业务费：基于多目标协同进化理论的感知网性能优化模型的研究，200 9-12-01-2012-12-31 北京交通大学：感知路由器性能优化模型的研究，2010-01-15-2012-01-31国家自然科学基金青年基金：异构网络下基于相关性优化准则的多描述视频 编码的研究，2010-01-01-2012-12-31国家自然科学基金：多节点分级服务网络流体模型与拥塞控制，2008-06-01-2 010-05-315. 指导教师对本项目的支持情况： 提供学生从事创新实验活动的

5、场地 提供学生从事创新实验活动的计算机及相关硬件设备 提供学生与创新实验活动相关的科研活动经费支持 6、立项背景（国内外研究现状与趋势，参考文献和其他有关背景材料）6.1国内外研究现状与趋势OpenFlow技术起源于斯坦福大学CleanSlate研究组关于网络安全与管理的 Ethane研究项目。该项目试图通过一个集中式的控制器，让网络操作员可以方便地 定义基于网络流的安全控制策略，并将这些安全策略应用到各种网络设备中，从而 实现对整个网络通信的安全控制。受此项目及前续项目Sanel叫的启发，Casado和 其导师McKeown教授将Ethane的设计更一般化，分离传统网络设备的数据转发面 和路

6、由控制面两个功能模块，通过集中式的控制器以标准化的接口对各种网络 设备进行管理和配置，提出了开放网络的思想，于2008年在ACM SIGCOMM发表 了题为 OpenFlow： Enabling Innovation inCampus Networks 的论文，首次详细地介绍 了 OpenFlow的概念。目前，OpenFlow已经在美国斯坦福大学、印第安纳大学、 Intemet2、欧洲OFLEIA、日本JGN2plus、韩国NetOpen网络服务平台以及其他的 诸多科研机构中部署。美国斯坦福大学展开了有关OpenFlow协议、控制器可伸缩 性、监测调试工具链、网络虚拟化、分组电路融合等方面的研

7、究。国内的清华大学 和北京邮电大学也较早参与并跟进OpenFlow使能的SDN相关技术研究，前者侧重 于网络源地址有效性验证、IPv6支持、网络安全和无线嵌入式OpenFlow / MPLS 技术等方面，后者侧重于光网络基于OpenFlow的统一控制面研究。英国Essex大 学提出了一种由光流、光流元素和可编程OpenFlow控制器使能的OpenFlow网络 结构，该结构具有操作任何用户定义的网络协议和场景的能力，能够提供智能的、 用户控制的和可编程的光网络服务。上述学术机构在参与SDN网络研究过程中产 生了一系列开源项目和软件产品。若按照SDN分层思想来分，交换开源项目包括 OpenvSwi

8、tch、OpenWRT、NetFPGANOX 等，控制器开源项目包括 NOX、FlowVisor、 Maestro、Beacon、Trema，应用包括 ENVI、LAVI、n一Casting，以及研究 OpenFlow / SDN的配套工具链工具，如oftrace、oflops、openseer等。除学术研究团体对SDN 技术展开广泛研究外，各大芯片厂商、因特网服务提供商、设备厂商、电信运营商 和创业公司对SDN技术跟进、产品研发和网络部署均产生了浓厚兴趣，并进行了 积极实践。目前，尽管有众多的研究机构部署实践使能OpenFlow的SDN实验床， 也有许多网络设备商和IT服务商推出相应的交换产

9、品、控制器及SDN整套解决方 案，但从SDN总体研究态势来看，还属于刚刚起步，如SDN体系架构中的北向接 口尚未被定义、南向接口的OpenFlow协议还在进一步完成过程中；同时，SDN网 络平台可伸缩性、可靠性及支持OpenFlow流表的交换芯片等技术均处在探索过程 中。再者，SDN把分散在各个网络设备的网络状态集中编程，将网络化繁为简，在 推动网络应用创新和满足IT定制化、自带设备办公、云计算和网络虚拟化等新应 用趋势方面带来了许多新的思路，使其成为当前最为热门的网络研究方向。6.2项目背景本课程拟为本校学生提供关于OpenFlow的创新实践题目，这是国家自然基金 项目“认知异构网络下基于混

10、杂控制理论的海量视频流传输性能优化模型的研究”的 研究内容之一。通过指导学生搭建OpenFlow仿真平台，引导学生研究四台Switcher 构成的Fabric，通过研究拥塞控制策略和流量分配方法，使得学生对计算机网络的 体系结构、计算机网络协议等相关理论知识能够准确理解。从而提高学生的创新和 实践能力。63参考文献：1郑毅，华一强，何晓峰等.SDN的特征、发展现状及趋势J.电信科学,2013,29(9):102-107.DOI:10.3969/j.issn.l000-0801.2013.09.020.2 袁广翔软件定义网络技术发展与应用研究J.现代电信科技,2013,(4):45-50.3 陶

11、军基于OpenFlow的SDN技术研究J.电信技术,2014,:62-65.4 张顺淼，邹复民软件定义网络研究综述J.计算机应用研究,2013,30(8):2246-2251.DOI:10.3969/j.issn.1001-3695.2013.08.002.5 胡海波.SDN商用化现状及未来发展趋势分析J.互联网天地,2013 (008): 4-6.6 刘露，陈清金，张云勇.对SDN技术的研究与思考J.互联网天地,2013 (003): 1-3.7、研究内容7.1 研究基于OpenFlow模式的Fabric交织网架构1131141151161718 19九九九33儿34,九35九36112 1

12、28九2,入18,九16入32,九48,九64,51,入67,九83,九99,九115J 舛，入17,入3349,入65,入898114图1交织路由器结构图这种具有交织性的路由器通常是具有多块业务板卡(位于图底端的板卡)、多块转发板(位于图上端的板卡)以及一块或多块控制板(管理板)组成，它最大 的特点是具有“交织”特性，即不需要性能强大的转发板块，因为转发板块和业务 板块的转发性能是相同的。每一块板卡都具有独立的CPU和控制芯片进行业务处理。 业务板块的有一半的端口是连接用户端，供用户使用，另外一半的端口是与转发板 块连接的，用来进行内部数据的转发。这种交织特点的设备可以在保证端口性能不 变的

13、情况下不断扩展，多台交织设备组成一个功能一致的设备，实现系统交换能力 的扩展，如图1.1所示。其中一些设备充当业务卡的（设备A、B、C、D）,另外一 些设备充当转发卡（设备E、F）,从而支持更多的连接接口。基于这种物理架构， 在路由器上发生拥塞的端口可能在业务板块上，也有可能在转发板上。为了保证路 由器的性能，这种机架式的路由器的两个端口之间在内部存在多条路径。路由器内 部的路径选择和拥塞控制影响路由器的吞吐量等一系列性能指标，因此，有必要单 独对路由器内部的路径进行拥塞控制。图1.1交织网内多个路由器进行扩展7.2 研究Fabric交织网流量迁移算法的实现研究如何人工控制流的迁移问题，在发现

14、当前线路拥塞时，如何人为的将流迁移到其他路 径上。目的地址、源地址、目的端口号、源端口号以及协议号这五个元素可以判断一个数据包 是否属于一个数据流。内部路径选择器要保证一个数据流中的所有数据包在同一时刻，只能出 现在同一条内部路径上，否则数据流经过路由器后会出现乱序现象。TCP流中的数据包的乱序 能引起源节点对数据包的重传，造成网络资源的浪费。7.3 研究Fabric交织网拥塞控制算法的实现从逻辑上看，可以将这种交织架构（Fabric）的路由器看成是有多个子路由器组成的虚拟 节点，每块业务板（边缘接入层Switcher）可以看成是一个边缘路由器，而转发板（高级接入 层Switcher)可以看成

15、是核心路由器，控制板可以看成是OpenFlow中的控制器。在无阻塞的交 织路由器中首先要保证其内部节点不发生拥塞，并且要高效的对数据进行转发，即当一条路径 发生拥塞时，要自动选取其它未发生拥塞的路径。因此，在路由器的拥塞控制中，需要实现两 种功能，即路径拥塞的检测和路径拥塞的控制。在我们的设计中，路径拥塞的检测我们参考了 网络测量的原理，利用队列长度进行拥塞的检测。具体研究内容包括：路径拥塞的检测和路径 拥塞的控制。在无阻塞交织路由器的管理卡中，拥塞控制至少需要三个逻辑模块，即内部路径选择器、 拥塞控制器、转发时延更新器，如图2所示。内部路径选择器根据转发时延更新器的计算结果 进行路径选择，决定流在路由器内部的转发路径；拥塞控制器根据路径的转发时延进行拥塞状 态的判断，并根据拥塞控制算法进行拥塞的控制转发时延更新器计算出路由器内部各转发路径 的转发时延。图2与转发时延相关的模块8、项目方案(科学性、创新性、技术可行性、拟解决的问题、成员分工等)1500 字左右，不够可以附件补充8.1项目的科学性论证计算机网络的飞速发展使传统网络变得越来越不