基于SDN的内容分发系统研究与实现

论文总字数：22254字

摘 要

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摘 要

基于SDN的内容分发系统研究与实现

近年来，内容分发网络(Content-Delivery Network)的研究和应用得到很大发展。CDN通过对用户就近性和服务器负载的判断，实现对内容的高效传输，从而在传统的IP网上构建支持宽带丰富媒体的网络覆盖层。CDN一般包括分布式存储、负载均衡、网络请求的重定向和内容管理等4个重要组成部件，其基本思路是尽可能避开互联网上有可能影响数据传输速度和稳定性的瓶颈和环节，使内容传输更快和更稳定。当前各种各样应用广泛的CDN系统，为帮助提升用户的互联网使用体验做出了很大的贡献，但是传统的CDN系统一般是一种overlay形式的“虚拟CDN”，在网络和平台的运维管理效率方面实现起来比较困难，这也在一定程度上制约了CDN的进一步发展。

本论文针对现有内容分发技术的不足，采用软件定义网络SDN的先进理念，通过监测网络状态并进行分发策略的调整来充分利用网络有限的带宽。设计并开发了基于SDN的内容分发原型，并用POX控制器实现对网络状态的监控和调整内容分发策略，实现了根据网络状态对策略的动态调整，提供了更好的用户体验。在SDN仿真平台Mininet台上进行实现和部署，重点针对几种常见的拓扑结构进行测试，并与基于传统网络结构的内容分发原型进行了性能比较。通过实验分别对基于SDN的内容分发原型和基于传统网络体系结构的CDN系统进行性能测试，实验结果表明基于SDN的内容分发原型具有相对较好的性能。

关键词：内容分发网络，软件定义网络，OpenFlow，Mininet

Abstract

Research and implementation of Content-Delivery system based on SDN

The research and implementation on Content-Delivery Network has been greatly developed in recent years. CDN transmits the data effectively by measuring the locality and the load of the server, thereby helping with the construction of the rich-media overlay network over the traditional IP-network. The traditional CDN contains four important components: distributed storaging system, load balancing system, request redirecting system and content managing system. The idea behind the CDN is that to avoid the bottleneck factor which may have a bad effect on the speed and stability data transmission, thereby made the data transmission faster and more stable. CDN has been widely adopted in the industry, which made a great contribution to the good using experience of the Internet end-users. However the traditional CDN is an overlay virtual network, which is difficult to operate and manage the CDN network and its platform effectively. This weakness has limited the development of the CDN in a certain degree.

This thesis is focused on improving the traditional CDN by using SDN, which supervises the networking condition and adjusts the content delivery strategy, thereby maximizes the usage of the networking bandwidth. A content delivery prototype based on SDN is designed and implemented in this thesis, which uses POX controller to supervise the networking condition and adjusting the content delivery strategy in real-time manner to provide the end-users with a good using experience. This prototype was implemented and deployed on Mininet, with a focus on performing test on several common topology, and compared its performance with the traditional CDN implementation, and the results show that the SDN-based implementation has better performance.

Keywords: Content-Delivery Network, Software-Defined Network, OpenFlow, Mininet

目 录

摘 要 I

基于SDN的内容分发系统研究与实现 I

Abstract III

Research and implementation of Content-Delivery system based on SDN III

目 录 V

第一章 引言 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究目的和研究内容 1

1.3 论文研究组织结构 2

第二章 相关研究背景 3

2.1 SDN与OpenFlow 3

2.1.1 SDN 3

2.1.2 OpenFlow 4

2.2 内容分发网络(Content-Delivery Network) 5

2.3 基于SDN的内容分发系统 5

2.4 本章小结 6

第三章 基于SDN的内容分发原型设计 7

3.1 原型设计 7

3.1.1 开源SDN控制器POX 7

3.1.2 虚拟交换机 7

3.1.3 设计思路 8

3.2 几种常见的网络拓扑结构 9

3.2.1 环形(Ring) 9

3.2.2 星形(Star) 9

3.2.3 线形(Line) 10

3.3 多播分发机制的设计与实现 10

3.3.1 流表(Flow Table) 10

3.3.2 用流表实现多播分发机制 12

3.4 本章小结 13

第四章 基于SDN内容分发原型的仿真与测试 15

4.1 SDN仿真实验平台 15

4.1.1 Mininet简介 15

4.1.2 Mininet的特点 15

4.2 基于Mininet的仿真实验 15

4.2.1 仿真软硬件环境 15

4.2.2 仿真过程 15

4.3 Mininet下网络拓扑结构的创建 16

4.3.1 环形拓扑的搭建与测试 17

4.3.2 星形拓扑的搭建与测试 20

4.3.3 线形拓扑的搭建与测试 23

4.4 原型性能分析 26

4.5 本章小结 26

第五章 总结与展望 27

5.1 论文总结 27

5.2 进一步工作 27

致 谢 29

参考文献 31

引言

研究背景

近年来，内容分发网络CDN(Content-Delivery Network)为提高Web服务的质量做出了很大的贡献，据统计在2012年中大约35%-45%的网络流量是经过商用CDN产生的^[5]。CDN通过对用户就近性和服务器负载的判断，实现对内容的高效传输，从而在传统的IP网上构建支持宽带丰富媒体的网络覆盖层。CDN一般包括分布式存储、负载均衡、网络请求的重定向和内容管理等4个重要组成部件，其基本思路是尽可能避开互联网上有可能影响数据传输速度和稳定性的瓶颈和环节，使内容传输更快和更稳定^[2]。但是作为基于传统网络体系结构的网络系统，目前广泛应用的CDN存在一些局限性。传统CDN通常部署在静态的网络结构上，内容分发策略以及CDN上缓存的内容通常是静态的，很难在以移动互联网和云计算为大背景下去适应快速变化的流量模式与业务需求，并灵活、及时的做出策略的调整。以国内大型互联网公司为例，每天都有大量的新业务与需求上线，在相对短的时间段内会产生相当多的服务请求模式和流量模式，然而网络系统更新的速度远远赶不上业务与需求更新的频率，这将导致网络资源很难充分被利用，从而难以保证Web服务的质量^[3]。现在已有的内容分发网络改进方案多数并没有基于SDN及OpenFlow，去利用这些新技术实现这些改进方案可以为内容分发网络的研究打开新的思路。

软件定义网络SDN(Software-Defined Networking)作为一种设计理念先进的创新型网络体系结构，其优势在于：1).网络设备控制面与数据面分离开来，即逻辑网络与物理网络之间的解除耦合，网络硬件设备只需要管理数据的转发和配置状态的存储即可，而逻辑网络可以根据则可以根据网络上具体的业务模式(例如VoIP，内容分发等对网络资源有不同需求的业务)和监测到的网络状态(例如延迟，可用带宽和丢包率等)做实时的配置与优化^[6]。2).通过软件编程的方式，采用中心式的(centralized)方法去控制相关的网络资源，以便提高网络的可扩展性和可维护性，根据多变的业务需求做出快速响应，减少因无法根据网络状态做出动态调整所带来的服务体验下降和服务收入损失。目前SDN已业界中也获得较为广泛的认可，像Google这样的大公司也构建了基于SDN的网络基础设施以支持面向用户的网络服务，众多网络设备生产商也开始支持SDN标准^[5]。SDN给了内容提供商更多的网络控制灵活性，以方便更好的去定制满足业务需求的控制模式，从而更好的提高分发服务的质量^[6]。

本次毕业设计就是在此背景下，首先研究和分析传统CDN的不足，再利用软件定义网络SDN的先进理念及其所带来的优势，并借助网络虚拟化、平台虚拟化以及网络控制定制化等，重点设计和实现基于SDN的内容分发原型，为内容分发应用提供更灵活的服务定制策略。在此基础上，通过Mininet平台对基于SDN的内容分发原型进行测试和改进。

研究目的和研究内容

基于传统网络体系结构的内容分发原型采用的是分布式的控制方法，在互联网快速变化的网络环境下难以做出调整。而OpenFlow通过其标准为转发器带来了可编程性，这些可以通过中心设备进行编程的网络基础设施能够在快速变换的网络环境下快速响应。通过基于流表的网络设备，网络的流量可以根据需求更好的得到控制。

本文利用软件定义网络SDN的先进理念及优势，设计和实现基于SDN的内容分发原型。本文的主要研究内容包括以下三个方面：

1. 研究传统CDN的基本原理与关键技术，并从中发现不足与可能的改进方法。进而研究SDN的基本概念以及其OpenFlow实现，为内容分发原型设计奠定基础。
2. 研究如何基于SDN来设计和实现内容分发原型，并且主要研究了如何应用SDN的网络控制平面与数据平面相分离的方法实现多播分发机制的实时调整。
3. 通过Mininet平台对基于SDN的内容分发原型进行部署与性能测试，重点针对几种常见的拓扑结构进行测试，并与基于传统网络结构的内容分发原型进行性能比较。

论文研究组织结构

本文共分为五章，各章的主要内容如下：

第一章为引言，简要介绍了软件定义网络和内容分发网络等相关概念，在此基础上描述了本论文的研究目的和主要内容。

第二章为相关工作，介绍了软件定义网络以及内容分发网络的研究背景和发展现状，并且对如何利用软件定义网络改进内容分发进行了分析和探讨，为论文关注的基于SDN的内容分发原型提供了设计思路的指导。

第三章为基于SDN的内容分发原型设计，对开源SDN控制器POX、虚拟交换机OpenVSwitch以及基于SDN的多播内容分发机制进行了描述，并在POX控制器中进行了多播内容分发机制的实现。

第四章为基于SDN的内容分发原型的实现与测试，在Mininet中模拟实现了第三章所示的几种常见网络拓扑结构，并在此基础上进行了基于SDN的内容分发原型的测试，并与传统的内容分发系统进行了性能比较。

第五章为总结与展望，对论文工作进行总结，并对SDN的应用前景进行了展望。

相关研究背景

本章对SDN、OpenFlow、CDN及其他相关研究进行综述。2.1节介绍了SDN和OpenFlow；2.2节简单介绍了CDN及其现有的一些缺陷：2.3节简单讨论了如何用其改进现有的内容分发系统。

SDN与OpenFlow

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