Спосіб побудови віртуальної комп’ютерної мережі на основі технології SDN
Вантажиться...
Дата
2025
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Череватенко О.В. Спосіб побудови віртуальної комп’ютерної мережі на основі технології SDN. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 123 – Комп’ютерна інженерія з галузі знань 12 – Інформаційні технології. – Національний Технічний Університет України «Київський Політехнічний Інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2025.
Дисертаційна робота присвячена побудові віртуальної комп’ютерної мережі для передачі заданого типу трафіку з використанням технології програмновизначених мереж (software-defined networks, SDN). По результатам дослідження створено комплексний спосіб побудови віртуальної програмно-визначеної мережі, яка використовує метод побудови каналів зв’язку на основі інтегрального критерію з урахуванням метрик якості обслуговування та метод динамічної реконфігурації мережі з використанням відмовостійких резервних каналів зв’язку. Метою дисертаційної роботи є розробка комплексного способу побудови комп’ютерної мережі для підвищення швидкості та надійності передачі даних в ній, що дозволить гарантувати відповідність мережі заданим параметрам якості обслуговування під час виходу з ладу окремих її ділянок шляхом інтеграції технологій віртуальних мереж та програмно-визначених мереж. Досліджені відомі рішення побудови віртуальних комп’ютерних мереж з використанням технології SDN. На основі аналізу літературних джерел зроблено постановку задачі про необхідність розробки рішення для побудови віртуальної комп’ютерної мережі на основі технології SDN, яке дозволить вдосконалити процеси передачі даних у випадку відмов окремих ділянок комп’ютерної мережі. Після проведеного аналізу літератури на тему відповідності рішень побудови програмно-визначених мереж критеріям якості обслуговування (quality of service, QoS) зроблено висновок про необхідність розробки методу врахування якомога більшої (не менше чотирьох, оскільки відомі рішення зазвичай враховують дві або три) кількості метрик якості обслуговування при передачі даних у мережі. Вперше розроблено та обґрунтовано інтегральний критерій побудови каналів зв’язку у віртуальній комп’ютерній мережі на основі технології SDN, який, на відміну від існуючих способів побудови, одночасно враховує необхідну кількість та пріоритети метрик якості обслуговування каналів зв’язку мережі, що дозволяє досягти збереження стабільної швидкості передачі трафіку будь-якого типу. Цей критерій формується на основі числових метрик якості обслуговування зв’язків між комутаторами для оптимізації побудови шляхів під час маршрутизації. Вперше розроблено та обґрунтовано критерій надійності вузлів мережі для побудови каналів зв’язку, який, на відміну від існуючих способів побудови, враховує здатність проміжних пристроїв мережі транспортувати трафік між своїми портами, що дозволяє збільшити надійність каналів зв’язку та зменшити втрати даних під час передачі. Використання метрики надійності вузлів у якості критерію побудови дозволяє обирати такі канали зв’язку, що задовольняють необхідній якості обслуговування при передачі різних типів трафіку. Вперше розроблено та обґрунтовано метод побудови відмовостійких каналів зв’язку віртуальної мережі на основі технології SDN, який, на відміну від існуючих методів, базується на розділенні віртуальної мережі на підмережі та використовує розроблені інтегральний критерій побудови каналів зв’язку з урахуванням якості обслуговування та критерій надійності вузлів, що дозволяє забезпечити стабільну швидкість, зменшити затримку та втрати даних під час передачі будь-якого типу трафіку у разі виходу з ладу окремих ділянок мережі. Використання пріоритезації метрик при побудові шляхів передачі дозволяє збільшити гнучкість застосування методу та змінювати конфігурацію віртуальної мережі в залежності від різних типів трафіку, що передається. Удосконалено метод динамічної реконфігурації віртуальної мережі на основі технології SDN, який, на відміну від існуючих методів, базується на використанні відмовостійких резервних каналів зв’язку, збережених у пам’яті контролера SDN, що дозволяє підтримувати безперервний сеанс передачі трафіку у разі відмови основного каналу зв’язку. Наявність резервного каналу дозволяє не переривати з’єднання між вузлами у разі відмови основного маршруту, поки контролер виконує побудову нового шляху в обхід проблемних ділянок та завантаження його в комутатори. Розроблено програмне забезпечення для SDN-контролера Open Network Operating System (ONOS), зокрема застосунок, який реалізує розроблені в роботі методи побудови каналів зв’язку на основі інтегрального критерію та динамічної реконфігурації мережі з використанням резервних каналів зв’язку. Експерименти з використанням застосунку показали зменшення часу реконфігурації мережевої моделі та доставки даних, порівняно зі стандартними засобами маршрутизації у ONOS. Це було досягнуто не лише за рахунок використання інтегрального критерію побудови каналів зв’язку, а й ефективнішої компіляції інструкцій контролера та перебудові шляхів між комутаторами на основі зібраних даних про потоки. Використання технології SDN дозволяє виконувати переналаштування мережі на рівні контролера у разі відмови певних вузлів, а програмне забезпечення ONOS дозволяє вносити зміни та розширювати набір інструкцій для віртуальної мережі без зупинки контролера та процесу передачі трафіку. Виконано побудову віртуальних мереж різної топологічної організації, що використовують запропоновані в роботі методи побудови каналів зв’язку на основі інтегрального критерію та динамічної реконфігурації на основі резервних каналів зв’язку. Створені моделі віртуальної мережі у програмній утиліті mininet, виконано підключення до неї централізованого SDN контролера зі встановленим на ньому програмним забезпеченням ONOS, задіяння застосунку для передачі даних між вузлами мережі. У ході експерименту генерувався трафік різних типів і відбувалося зняття показників швидкості передачі даних та їхнього об’єму при поступовому відключенні вузлів мережі. Після відключень вузлів контролер відслідковував зміни в конфігурації мережі та виконував побудову та вибір оновлених каналів передачі трафіку. За результатами експериментів, для топологічних графів різної організації вдалося передати об’єм даних, що є на 65% більшим, ніж той, що був переданий з використанням існуючих методів побудови шляхів. Вдалося не допустити зниження швидкості передачі більше ніж на 41% після відключення половини вузлів мережі. Розроблений спосіб побудови віртуальної мережі на основі технології SDN дозволив розробити експериментальну модель для практичного використання та впровадження у корпоративних SDN мережах з відповідним апаратним забезпеченням.
Опис
Ключові слова
SDN, багатошляхова маршрутизація, віртуальна мережа, інформаційна система, якість обслуговування, відомі маршрути, відмовостійкість, топологія, multipath routing, virtual network, information system, quality of service, known routes, fault tolerance, topology
Бібліографічний опис
Череватенко, О. В. Спосіб побудови віртуальної комп’ютерної мережі на основі технології SDN : дис. … д-ра філософії : 123 Комп’ютерна інженерія / Череватенко Олексій Володимирович. – Київ, 2025. – 149 c.