Спосіб побудови віртуальної комп’ютерної мережі на основі технології SDN

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorКулаков, Юрій Олексійович
dc.contributor.authorЧереватенко, Олексій Володимирович
dc.date.accessioned2025-05-13T11:22:28Z
dc.date.available2025-05-13T11:22:28Z
dc.date.issued2025
dc.description.abstractЧереватенко 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.
dc.description.abstractotherCherevatenko O.V. Method for creating a virtual computer network based on SDN technology. – Qualified scientific work as a manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 123 – Computer engineering in the field of knowledge 12 – Information technology. – National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2025. The dissertation is devoted to the construction of a virtual computer network for the transmission of a given type of traffic using software-defined networks (SDN) technology. Based on the results of the research, a comprehensive method for constructing a virtual software-defined network has been created, which uses the method of constructing communication channels based on an integral criterion considering the metrics of their quality of service and the method of dynamic network reconfiguration using fault-tolerant backup data transmission channels. The purpose of the dissertation is to develop a comprehensive method for constructing a computer network to increase the speed and reliability of data transmission in it, which will ensure that the network meets the specified quality of service parameters during the failure of its individual sections by integrating virtual network technologies and software-defined networks. Known solutions for constructing virtual computer networks using SDN technology have been studied. Based on the analysis of literature sources, the problem of the need to develop a solution for building a virtual computer network based on SDN technology, which will allow improving data transmission processes in the event of failures of individual sections of the computer network, was formulated. After analyzing the literature on the compliance of solutions for building software-defined networks with quality of service (QoS) criteria, the conclusion was made about the need to develop a method for considering as many (at least four, since known solutions usually consider two or three) quality of service metrics as possible when transmitting data in the network. For the first time, an integral QoS criterion was developed and substantiated for constructing communication channels in a virtual computer network based on SDN technology, which, unlike existing construction criteria, simultaneously considers an unlimited number of QoS metrics for network communication channels and the priorities of these metrics, which allows maintaining the data transfer rate for any type of traffic. This criterion is formed on the basis of numerical quality of service metrics for connections between switches to optimize path construction during the routing process. For the first time, a reliability criterion for network nodes has been developed and substantiated for constructing communication channels, which, unlike existing construction criteria, considers the ability of intermediate network devices to transport traffic between their ports, which allows increasing the reliability of traffic transmission over communication channels and reducing data loss. Using the reliability metric of nodes as a construction criterion allows choosing such communication channels that satisfy the required quality of service when transmitting different types of traffic. For the first time, a method for constructing communication channels of a virtual network based on SDN technology has been developed and substantiated, which, unlike existing construction methods, uses an integral criterion for the quality of service of network communication channels, a criterion for the reliability of network nodes and its division into subnetworks, which allows maintaining speed, reducing delay and data loss during their transmission for any type of traffic in the event of failure of individual network sections. The use of metric prioritization when constructing transmission paths allows increasing the flexibility of the method and changing the configuration of the virtual network depending on different types of transmitted traffic. The method of dynamic reconfiguration of a virtual SDN network has been improved, which, unlike existing methods, is based on the use of fault-tolerant backup data transmission channels stored in the memory of the SDN controller, which allows maintaining a traffic transmission session in the event of a failure of the main communication channel. The presence of a backup path allows not to interrupt the connection between nodes in the event of a failure of the main route, while the controller is building a new path bypassing problem area and loading it into the switches. Software for the Open Network Operating System (ONOS) SDN controller has been developed, in particular an application that implements the methods developed in the work for constructing communication channels based on the integral criterion and dynamic network reconfiguration using redundant communication channels. Experiments using the application have shown a reduction in the time for reconfiguring the network model and delivering data, compared to standard routing tools in ONOS. This was achieved not only by using the integral criterion for constructing communication channels, but also by more efficient compilation of controller instructions and rebuilding paths between switches based on collected data about flows. The use of SDN technology allows for network reconfiguration at the controller level in the event of failure of certain nodes, and the ONOS software allows for changes and expansion of the set of instructions for the virtual network without stopping the controller and the traffic transfer process. Virtual networks of different topological organizations were constructed, using the methods proposed in the work for constructing communication channels based on the integral criterion and dynamic reconfiguration based on backup data transmission channels. Virtual network models were created in the mininet software utility, a centralized SDN controller with ONOS software installed on it was connected to it, and an application was launched for data transmission between network nodes. During the experiment, traffic of different types was generated and data transmission speed and volume were measured during the gradual disconnection of network nodes. After the nodes were disconnected, the controller monitored changes in the network configuration and constructed and selected updated traffic transmission channels. According to the test results, for topological graphs of different organizations, it was possible to transmit a data volume that is 65% larger than that transmitted using existing methods for constructing paths. It was possible to prevent a decrease in transmission speed by more than 41% after disconnecting half of the network nodes. The developed method of building a virtual network based on SDN technology allowed the development an experimental model for practical use and implementation in corporate SDN networks with appropriate hardware.
dc.format.extent149 с.
dc.identifier.citationЧереватенко, 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.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/73797
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectSDN
dc.subjectбагатошляхова маршрутизація
dc.subjectвіртуальна мережа
dc.subjectінформаційна система
dc.subjectякість обслуговування
dc.subjectвідомі маршрути
dc.subjectвідмовостійкість
dc.subjectтопологія
dc.subjectmultipath routing
dc.subjectvirtual network
dc.subjectinformation system
dc.subjectquality of service
dc.subjectknown routes
dc.subjectfault tolerance
dc.subjecttopology
dc.subject.udc004.77
dc.titleСпосіб побудови віртуальної комп’ютерної мережі на основі технології SDN
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Cherevatenko_dys.pdf
Розмір:
3.15 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (ОТ)
Дисертації (вільний доступ)