北京交通大学大学生创新训练项目选题申报书.docx

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1、北京交通大学大学生创训练工程选题申报书工程名称基于 OpenFlow 的交织网流量均衡策略的争论及实现申请金额：8000 元起止年月： 2023 年 4 月至 2023 年 3 月1. 工程来源：ABC说明：“A”为学生自主选题，来源于自己对课题的长期积存与兴趣；“B”为学生来源于教师科研工程选题；“C”为学生担当社会、企业托付工程选题2. 来源工程名称：认知异构网络下基于混杂掌握理论的海量视频流传输性能优化模型的争论来源工程类别：国家自然科学基金工程说明：“来源工程类别”栏限“B”和“C”的工程填写，“来源工程类别”栏填写“863工程”、“973 工程”、“国家自然科学基金工程”、“省级自然

2、科学基金工程”、“教师横向科研工程”、“企业托付工程”、“社会托付工程”以及其他工程标识。3. 工程所属一级学科：姓名学号所在学院及专业项计算机学院计科目组计算机学院计科成员计算机学院计科计算机学院计科联系 分工签字OpenvSwitch OpenvSwitch ControllerController姓名职务/职称 所在学院及争论方向指导副教授计算机学院、计教算机应用技术师副教授计算机学院、计算机应用技术联系 E-mail签字4. 指导教师担当科研课题状况： 根本科研业务费：高速移动异构网络海量视频流无缝传输动力学特征的争论，2023-01-01-2023-06-30 北京交通大学：基于Op

3、enFlow 拥塞掌握的无堵塞多层交织路由器 ，2023-06- 15-2023-06-30 其它部市：走近奇异的物联网，2023-12-30-2023-10-31 国家自然科学基金“青年基金“：认知异构网络下基于混杂掌握理论的海量视频流传输性能优化模型的争论，2023-01-01-2023-12-31 根本科研业务费：多域认知网络功率和速率协同掌握策略的争论，2023-07-01-2023-12-30 北京交通大学：LTE-A 系统多用户 MIMO 的预编码争论及仿真，2023-12-10-20 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争论，2023-12

4、-15-2023-06-01 北京市自然基金“面上”：认知MIMO 系统的放射机、接收机与QoS 调度，2023-01-01-2023-01-12 根本科研业务费：基于多目标协同进化理论的感知网性能优化模型的争论，200 9-12-01-2023-12-31 北京交通大学：感知路由器性能优化模型的争论，2023-01-15-2023-01-31 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争论，2023-01-01-2023-12-31 国家自然科学基金：多节点分级效劳网络流体模型与拥塞掌握，2023-06-01-2 010-05-315. 指导教师对本工程的支

5、持状况： 供给学生从事创试验活动的场地 供给学生从事创试验活动的计算机及相关硬件设备 供给学生与创试验活动相关的科研活动经费支持6、立项背景国内外争论现状与趋势，参考文献和其他有关背景材料6.1 国内外争论现状与趋势OpenFlow 技术起源于斯坦福大学 CleanSlate 争论组关于网络安全与治理的Ethane 争论工程。该工程试图通过一个集中式的掌握器，让网络操作员可以便利地定义基于网络流的安全掌握策略，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掌握。受此工程及前续工程 Sanel 叫的启发，Casado 和其导师 McKeown 教授将 Ethane 的设计更一

6、般化，分别传统网络设备的数据转发面和路由掌握面两个功能模块，通过集中式的掌握器以标准化的接口对各种网络设备进展治理和配置，提出了开放网络的思想，于 2023 年在 ACM SIGCOMM 发表了题为 OpenFlow：Enabling Innovation inCampus Networks 的论文，首次具体地介绍了 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 网络效劳平台以及其他的诸多科研机构中部署。美国斯坦福大学开放了有关 OpenFlow 协议、掌握器可伸缩性、监

7、测调试工具链、网络虚拟化、分组电路融合等方面的争论。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 相关技术争论，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 OpenFlowMPLS 技术等方面，后者侧重于光网络基于 OpenFlow 的统一掌握面争论。英国 Essex 大学提出了一种由光流、光流元素和可编程 OpenFlow 掌握器使能的 OpenFlow 网络构造，该构造具有操作任何用户定义的网络协议和场景的力量，能够供给智能的、用户掌握的和可编程的光网络效劳。上述学术机构在参与 SDN 网络争论过程中产生了一系列开源工程和软件产

8、品。假设依据 SDN 分层思想来分，交换开源工程包括OpenvSwitch、OpenWRT、NetFPGANOX 等，掌握器开源工程包括 NOX、FlowVisor、Maestro、Beacon、Trema，应用包括 ENVI、LAVI、nCasting，以及争论 OpenFlowSDN 的配套工具链工具，如 oftrace、oflops、openseer 等。除学术争论团体对 SDN 技术开放广泛争论外，各大芯片厂商、因特网效劳供给商、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深厚兴趣，并进展了乐观实践。目前，尽管有众多的争论机构部署实践使能 OpenFl

9、ow 的 SDN 试验床， 也有很多网络设备商和 IT 效劳商推出相应的交换产品、掌握器及SDN 整套解决方案，但从SDN 总体争论态势来看，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、牢靠性及支持 OpenFlow 流表的交换芯片等技术均处在探究过程中。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，在推动网络应用创和满足 IT 定制化、自带设备办公、云计算和网络虚拟化等应用趋势方面带来了很多的思路，使其成为当前最为热门的网络争论方向。6.2 工程背景本课程拟为本校学生供

10、给关于 OpenFlow 的创实践题目，这是国家自然基金工程“认知异构网络下基于混杂掌握理论的海量视频流传输性能优化模型的争论”的争论内容之一。通过指导学生搭建 OpenFlow 仿真平台，引导学生争论四台 Switcher 构成的 Fabric，通过争论拥塞掌握策略和流量安排方法，使得学生对计算机网络的体系构造、计算机网络协议等相关理论学问能够准确理解。从而提高学生的创和实践力量。6.3 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,2023,29(9):102-107.DOI:10.3969/j.issn.

11、1000-0801.2023.09.020.2 袁广翔.软件定义网络技术进展与应用争论J.现代电信科技,2023,(4):45-50.3 陶军.基于OpenFlow 的 SDN 技术争论J.电信技术,2023,(2):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 争论,2023,30(8):2246-2251.DOI:10.3969/j.issn.1001-3695.2023.08.002.5 胡海波. SDN 商用化现状及将来进展趋势分析J. 互联网天地, 2023 (008): 4-6.6 刘露, 陈清金, 张云勇. 对

12、SDN 技术的争论与思考J. 互联网天地, 2023 (003): 1-3.7、争论内容7.1 争论基于 OpenFlow 模式的 Fabric 交织网架构3l , l19, l35, l51, l67, l83, l99, l115l , l18, l34, l50, l66, l82, l98, l11421l , l17, l33, l49, l65, l81, l97, l113l16, l32, l48, l64, l80, l96, l112, l128lll1, l2, l3, l4,1718, l19, ll20,3334, l35, l36,l113114, l115, l1

13、16ll图 1 交织路由器构造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掌握板治理板组成，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，由于转发板块和业务板块的转发性能是一样的。每一块板卡都具有独立的 CPU 和掌握芯片进展业务处理。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，用来进展内部数据的转发。这种交织特点的设备可以在保证端口性能不变的状况下不断扩展，多台交织设备组成一个功能全都的设备，实现系统交换力量的扩展，如图 1.1 所示。其中一些设备充当业务卡的设备 A、B、C、D，

14、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掌握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展拥塞掌握。设备E设备 F设备A设备B设备C设备D 图 1.1交织网内多个路由器进展扩展7.2 争论 Fabric 交织网流量迁移算法的实现争论如何人工掌握流的迁移问题，在觉察当前线路拥塞时，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

15、以推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全部数据包在同一时刻，只能消灭在同一条内部路径上，否则数据流经过路由器后会消灭乱序现象。TCP 流中的数据包的乱序能引起源节点对数据包的重传，造成网络资源的铺张。7.3 争论 Fabric 交织网拥塞掌握算法的实现从规律上看，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可以看成是核心路由器，掌握板可以看成是 OpenFlow 中的掌握器。在无堵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

16、要高效的对数据进展转发，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，在路由器的拥塞掌握中，需要实现两种功能，即路径拥塞的检测和路径拥塞的掌握。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，利用队列长度进展拥塞的检测。具体争论内容包括：路径拥塞的检测和路径拥塞的掌握。在无堵塞交织路由器的治理卡中，拥塞掌握至少需要三个规律模块，即内部路径选择器、拥塞掌握器、转发时延更器，如图 2 所示。内部路径选择器依据转发时延更器的计算结果进展路径选择，打算流在路由器内部的转发路径；拥塞掌握器依据路径的转发时延进展拥塞状态的推断，并依据拥塞掌握算法进展拥塞的掌握转发时延更器计算出路由

17、器内部各转发路径的转发时延。内部路径选择器拥塞掌握器转发时延更器端口队列长度数据库图 2与转发时延相关的模块8、工程方案科学性、创性、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 工程的科学性论证计算机网络的飞速进展使传统网络变得越来越不堪重负，拥塞问题变得越来越常见，特别是云计算，大数据等技术的进展对流量传输提出了更高的要求，在这种状况下，争论如何更好的进展网络中的拥塞掌握变得格外具有现实意义。但是，传统的路由器设备并不能很好的胜任这一工作，所以我们基于全的OpenFlow 网络模型来进展初级 Fabric 网络的搭建和拥塞掌握的争论。 OpenFlow 交换

18、机将原来完全由交换机 / 路由器掌握的报文转发过程转化为由OpenFlow 交换机OpenFlow Switch和掌握效劳器Controller来共同完成，从而实现了数据转发和路由掌握的分别。掌握器可以通过事先规定好的接口操作来掌握OpenFlow 交换机中的流表，从而到达掌握数据转发的目的。而我们可以利用现有的 PC 机，通过安装 OpenVSwitch 和 Floodlight 来得到 OpenFlow 交换机。通过学习OpenFlow 相关学问，在搭建相应平台根底上，利用 OpenFlow 通过将网络设备掌握面与数据面分别开来，从而实现了网络流量的敏捷掌握的特性来实现基于Fabric 架

19、构的网络拥塞掌握和流量负载均衡的争论，使得学生对计算机网络的体系构造、计算机网络协议等相关理论学问能够准确理解，从而提高学生的创和实践力量。8.2 工程的创性基于 OpenFlow，使得数据的转发和路由掌握的分别，使得我们可以在软件层面上自由和敏捷地掌握流量的转发。由于承受Fabric 架构，是一种扁平化架构，目标是实现在任意两点之间尽量削减网络架构的数目，从虚拟机到虚拟机，效劳器到效劳器，或者是发起人到目标，来 得到低延迟的效劳器间通信和更高的双向带宽。每一级的每个交换单元都和下一级的全部交换 单元相连接，由于网络的递归特性，它理论上具有无与伦比的可扩展性，支持交换机端口数量、端口速率、系统

20、容量的平滑扩展。8.3 工程的技术可行性1. Febric 平台 OpenVSwitch 的搭建平台硬件的组成包括四台 PC 机，其中一台 PC 机上配置三张网卡作为交换机，一台作为Controller，剩余两台分别作为发送方和接收方。在虚拟的交换机上安装 OpenVSwith，我们使用了开源的Apache 2.0 许可协议，主要实现代码为可移植的C 代码。它的目的是让大规模网络自动化可以通过编程扩展，同时仍旧支持标准的治理接口和协议如： NetFlow, sFlow、SPAN、 RSPAN、CLI、 LACP、802.1ag。此外，它被设计支持跨越多个物理效劳器的分布式环境，类似于 VMwa

21、re 的 VNetwork 分布式 VSwitch 或 Cisco Nexus 1000 V。 Open VSwitch 支持多种Linux 虚拟化技术，包括Xen/XenServer， KVM 和 VirtualBox。2. Febric 平台 Floodlight 的搭建在掌握机上安装 Floodlight，Floodlight 掌握器是一个企业级的，使用 Apache 协议，Java 开发的OpenFlow 掌握器。它包含一些Big Switch Networks。上述软件安装环境均在Ubuntu13.04 版本下安装。此项争论任务已经完成。依据目前科研小组的进度，1 和 2 的工作已经

22、完成。已经实现将上述四台机器通过网线建立物理连接，并且通过 ping 命令检查网络是否通。在 controller 机器上也能直接通过Avior 专门为 Floodlight 设计的一款GUI查看，或者通过扫瞄器进入 :/localhost:8080/ui/index.html， 8080 为 floodlightdefault.properties 文件中所指定的端口号.可以登录floodligt 的web 界面查看。3Febric 平台拥塞掌握算法的实现Febric 交织网下拥塞掌握算法，交换机交换机高级接入层交换机交换机边缘接入层掌握器计算机计算机计算机计算机图 3 Fabric 架构图

23、如图 3，平台由四台Switcher 构成 Fabric，其中每台Switcher 均与 controller 连接，其中两台作为边缘接入层，每台Switcher 均与多台主机相连；另两台作为高级接入层，每台均与下层全部交换机相连，但彼此互不相连。8.4 拟解决的问题 试验平台的搭建，包括硬件设备的改造加装网卡等，软件安装，后期的 Fabric 架构的搭建。 实现人为的通过Controller 掌握流的迁移。 拥塞掌握算法的具体实现，包括拥塞检测，路径选择等。我们完全可以利用试验室已有的设备通过安装相应的支持OpenFlow 的软件来得到OpenFlow 交换机设备，且相应的拥塞掌握算法在技术

24、上并不存在难以实现的鸿沟。 能否和上层OpenStack 连接，在云计算和大数据便利进展探究。8.5 工程分工主要分为两组，其中一组负责 Controller 掌握端，小组成员为 xxx 和 xxx，另一组负责Switcher 交换机端，小组成员为xxx 和 xxx。具体上xxx 同学具备较强的编程力量，他主要负责相应的代码编写，xxx 同学负责拥塞掌握算法的学习和争论，并通过和xxx 同学一起争论， 将其转化为具体代码实现。xxx 同学负责硬件的搭建和维护，xxx 同学作为小组唯一的女性成员，担当全部的书面工作，包括最终成果论文的提交。暂定为这些，日后如有变化，以实际分工为准。9、工程特色与

25、创点 基于OpenFlow，使得交换机将原来完全由交换机/路由器掌握的报文转发过程转化为由 OpenFlow 交换机OpenFlow Switch和掌握效劳器Controller来共同完成，从而实现了数据转发和路由掌握的分别。掌握器可以通过事先规定好的接口操作来掌握OpenFlow 交换机中的流表，从而到达掌握数据转发的目的，这在特别流量掌握和定向端到端流量传输上具有特别意义。承受 Fabric 架构，是一种扁平化架构，目标是实现在任意两点之间尽量削减网络架构的数目，从虚拟机到虚拟机，效劳器到效劳器，或者是发起人到目标，来得到低延迟的效劳器间通信和更高的双向带宽。每一级的每个交换单元都和下一级

26、的全部交换单元相连接，由于网络的递归特性，它理论上具有无与伦比的可扩展性，支持交换机端口数量、端口速率、系统容量的平滑扩展。对现有的OpenFlow 网络流量掌握方式进展了创。现有的流量治理网关都是通过端口的外出队列进展掌握，这种掌握方式配置方式简洁，不能实现特性化的配置。本工程将对 OVS 端口的入队列和出队列同时进展掌握，网络治理员可以进展特别的流量掌握及均衡。本工程完全利用已有的资源即可实现，且成果具有良好的移植性和可拓展性并将与OpenStack 的私有云平台对接，形成简洁有用的大数据治理平台。从治理模式、导学思路上， 都具有肯定的创性。10、工程进度安排 2023.04 - 2023

27、.06了解和学习OpenFlow 的相关学问，学会在 LINUX 环境下安装Floodlight 和 OpenVSwitch， 实现初步平台的搭建，并 Ping 通。然后进展拥塞掌握算法的学习，着手搭建后期平台，即 Fabric 架构的网络平台。期间报名参与第一届全国高校软件定义网络SDN应用创开发大赛，并 于 5 月 23 号前依据大赛要求提交相关技术文档和仿真演示系统的形式 2023.06 - 2023.10在 fabric 平台中实现基于 OpenFlow 的对网络流量掌握，包括的流的迁移，拥塞掌握的具体实现。 2023.10 - 2023.03在 fabric 平台中对大数据的治理进展

28、探究，以及争论工作总结。11、拟利用资源试验室、设备、资料等 试验室： 逸夫楼一层计算机试验室。 设备：至少需要四台 PC 机，每个小组成员至少掌握一台PC,依据需要分别作为Controller 或者 Switcher，每台 PC 机需要视状况配备 1 到 4 张网卡，另需要网线等设备假设干， 需供给网络。 资料：SDN 相关书籍，如SDN 核心技术剖析和实战指南，深度解析 SDN:利益、战略、技术、实践等。 SDN 相关网站，如 :/ sdnap / 快速入门：由SDNAP 与北邮联合举办的openflow 免费培训的PPT重点 1.0 OpenFlow 标准中文版 1.0.0 (翻译得很好

29、) OpenFlow 标准中文版 1.3.0 (概要，SDNAP 独家资料) Openflow 官方网站： openflow.org (停顿更请访问下面 ONF 网站) ONF 官方网站： opennetworking.org Architectural Support for Security Management in Enterprise Networks(Dec. 2023) (Openflow 鼻祖 Martin Casado 毕业论文) White Paper Software-Defined Networking : The New Norm for Networks(SDN 白

30、皮书) OVS 官方网站： openvswitch.org OpenvSwitch 安装及配置 (具体配置教程) OVS 初级教程：使用open vswitch 构建虚拟网络 SDN QQ 群：#兰大-小学生 国内网友测试openflow 初级教程 Openflow 协议根底：Openflow 数据构造 Openflow 协议通信流程解读 (SDN QQ 群：#北邮-李呈) Openflow 交换机初步安装教程 OpenvSwitch 交换机与Controller 联调测试 Pox+Mininet 的安装和初级使用 (SDN QQ 群友：#FIREMan) Floodlight+Mininet

31、 搭建OpenFlow 系列 (SDN QQ 群友：#王畅) OpenvSwitch 具体安装及配置 OFTest 的安装及使用总结 (SDN QQ 群友：#薇薇笑 #小封子) 支持Openflow 协议的TCAM 芯片介绍 (芯片厂商盛科讲解-SDNAP 收集) 掌握器性能测试软件Cbench 安装使用说明 (SDN QQ 群友：#武汉-哈哈) 抓包工具：支持 Openflow 1.3 的 wireshark 插件安装教程 (SDN QQ 群友：#北京-弓长)12、与本工程有关的争论积存和已取得的成绩通过安装 Floodlight 和 OpenVSwitch 对 OpenFlow 有了一个初

32、步的了解，并初步搭建前期的试验平台。依据目前科研小组的进度，1 和 2 的工作已经完成。已经实现将上述四台机器通过网线建立物理连接，并且通过 ping 命令检查网络是否通。在 controller 机器上也能直接通过Avior 专 门 为 Floodlight 设 计 的 一 款 GUI 查 看 ， 或 者 通 过 浏 览 器 进 入 :/localhost:8080/ui/index.html，8080 为 floodlightdefault.properties 文件中所指定的端口号.可以登录floodligt 的 web 界面查看。13、预期争论成果结题验收时需要提交的支撑材料 实现基于

33、OpenFlow 和 Fabric 架构的网络流量拥塞掌握，并通过一个实例演示，如视频流的传输演示这一成果； 与上层OpenStack 的私有云平台对接，形成简洁有用的大数据治理平台； 关于OpenFlow 争论的论文一篇14.经费预算与用途合计经费：8000 元1) 设备费：6000 元 (学生需要购置试验活动中的多端口网卡，每个多端口网卡约 800 元，需至少 6 个)；2) 资料费：1500 元 (学生需要购置相关书籍及文献资料)；3) 其它： 500 元(学生试验过程中发生的办公费用与复印费等)。指导教师意见：签名：年月日学院评审推举意见：明确是否推举为校级工程学院负责人签名盖章：年 月日学校意见：教务处负责人签名盖章：年 月 日