云数据中心光交换调度与路由算法研究

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1、ＴＩＡＮＪＩＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ中国第－臓代大学ＦＯＵＮＤＥＤＩＮ１８９５博士学位论文■丨ｌ■ｌｌｌｌ丨ｌｌ＿＾＾一计算机科学与技术级学科：学科专业：计算机应用技术李耀芳作者姓名：〇ｈｖｅｒＹａｎｇ指导教师：天津大学研究生院２０１７年６月云数据中心光交换调度与路由算法研究ResearchofOpticalSwitchesSchedulingandRoutingAlgorithminCloudDataCenter一级学科：计算机科学与技术学科专业：计算机应用技术作者姓名：李耀

2、芳指导教师：OliverYang天津大学计算机科学与技术学院二零一七年六月摘要云服务多样化、便捷化以及规模化发展的趋势，为数据中心的网络性能优化带来了新的挑战。本文围绕数据中心网络性能优化相关的交换调度与路由算法设计问题，展开了以下几方面的研究工作：（1）提出两种基于输入队列（IQ：InputQueue）的光交换调度算法SDF（StringentDelayFirst）和m-SDF（m-orderStringentDelayFirst）。所提算法考虑加速比对系统时延的影响，对时延需求不同的数据包进行合理调度，实现最高时延满足率的

3、优化目标。其中SDF算法能够实现每一个独立配置矩阵的调度优化。m-SDF针对m个配置矩阵进行联合优化，进一步减少系统时钟浪费、降低数据传输平均时延以及提高时延满足率。论文通过大量的仿真验证了两个算法的有效性，实验结果表明m-SDF具有更优越的调度性能，能够实现更高的时延满足率。（2）研究两种数据中心网络模型：多重独立式数据中心网络MI-DCN（MultipleIndependentDCN）和一体化分布式数据中心网络ID-DCN（IntegratedDistributedDCN）。前者假设多个独立数据中心在网络中已经完成部署，只

4、需考虑用户数据的路由问题；后者假设网络中只存在一个逻辑上一体化，物理资源分布式部署的数据中心，在各网络节点用户数据接入流量的限制下，将数据中心网络规划、资源部署与路由算法进行联合设计来降低网络总代价。论文通过仿真对比了这两种网络模型下的设计方案，结果验证了ID-DCN模型能实现更低的网络总代价。（3）将软件定义网络（SoftwareDefinedNetwork：SDN）的概念引入数据中心，设计传输路由算法实现数据中心资源负载均衡。通过整数线性规划（ILP：IntegerLinearProgram）和启发式算法给出了相应的路由设

5、计方案。通过仿真验证了所提路由算法的有效性，实验结果表明提出的算法能够实现较高的负载均衡。关键词：数据中心，差异化时延，光交换调度，资源部署，负载均衡，SDN，路由算法IABSTRACTCloudservicehasseveralfeatureslikediversification,facilitationandlargescaledevelopment.Allthesecharactershavebroughtnewchallengesforthedatacenternetworkperformanceoptimizati

6、on.Aroundthedatacenternetworkperformanceoptimizationproblems,wecarriedoutthefollowingresearchworks:(1)WeproposedtwoopticalswitchesschedulingalgorithmsincludingSDF(StringentDelayFirst)andm-SDF(m-orderStringentDelayFirst)whicharebasedonInputQueue(IQ:InputQueue).Inthis

7、thesis,theproposedalgorithmsconsideredtheinfluenceofspeed-uptothesystemdelay,andscheduledpacketswithdifferentdelayconstraintreasonably.Bythiswaywecanachievetheoptimalgoalofmaximumdelay-satisfyingrate.TheSDFalgorithmcanmakeeachindividualconfigurationmatrixachievesche

8、dulingoptimization.Theotheralgorithm(m-SDF)isbetterthanSDF.Thedifferenceisthatweletsevralconfigurationmatrixjointtogethertooptimize,soasto