Journal of Zhejiang University

Current Issue: <FITEE>

Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering (former title: Journal of Zhejiang University SCIENCE C (Computers & Electronics), 2010-2014)

ISSN 2095-9184 (print); ISSN 2095-9230 (online); CN 33-1389/TP; Monthly.

FITEE is an international peer-reviewed journal indexed by SCI-E, Ei Compendex, DBLP, IC, Scopus, JST, CSA, etc. It covers research in Electrical and Electronic Engineering, including Computer Science, Information Sciences, Control, Automation, Telecommunications, and related disciplines.

Impact factor: 0.308 (2011), 0.297 (2012), 0.380 (2013), 0.415 (2014), 0.392 (2015), 0.622 (2016), 0.910 (2017), 1.033 (2018), 1.604 (2019), 2.161 (2020), 2.526 (2021).

Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering

ISSN 2095-9184 (print), ISSN 2095-9230 (online), monthly

2016 Vol.17 No.7 P.603-716

<<< CONTENTS >>>

Special Issue on Future Network: Software-Defined Networing

Guest Editors: Tao HUANG, F. Richard YU, Yun-jie LIU

Special Issue on Future Network: Software-Defined Networing

Editorial: Special issue on future network: software-defined networking

Tao Huang, F. Richard Yu, Yun-jie LIU, Tao Huang, F. Richard Yu, Yun-jie Liu

DOI: 10.1631/FITEE.SDN2016 Downloaded: 1689 Clicked: 3231 Cited: 0 Commented: 0(p.603-605) <Full Text>

Review: Enhancing the performance of future wireless networks with software-defined networking

Mingjie Feng, Shiwen Mao, Tao Jiang

DOI: 10.1631/FITEE.1500336 Downloaded: 3122 Clicked: 5609 Cited: 3 Commented: 0(p.606-619) <Full Text> <PPT> 1587

Chinese summary <29> 利用軟件定義網絡結構提升未來無線通信網絡性能的方法研究與展望

概要：随着互聯網的負載高速增長和各種應用的日益豐富，爲提供方便、快捷的互聯網接入服務，現有的網絡結構已經變得相當複雜(zá)和多樣，這給網絡管理提出了新的挑戰。爲了應對這一(yī)挑戰，軟件定義網絡的概念被提出，并被認爲是一(yī)種有前景的解決方案。在軟件定義網絡結構中(zhōng)，網絡控制域和數據傳輸域是分(fēn)開(kāi)的；所有的網絡設備被抽象化，通過一(yī)個集中(zhōng)式的控制器來進行管理。通過使用軟件定義網絡的結構，網絡管理變得靈活和高效，因此可以潛在地提升網絡性能。爲了充分(fēn)利用軟件定義網絡的優勢，最近又(yòu)提出了軟件定義無線網絡結構。本文首先分(fēn)析在不同無線網絡中(zhōng)軟件定義網絡結構的應用。然後讨論在基于軟件定義網絡結構的無線網絡中(zhōng)使性能提升的幾個關鍵技術環節。最後，提出一(yī)些關于軟件定義無線網絡可能的未來研究方向。

關鍵詞組：軟件定義網絡構；軟件定義無線網絡；OpenFlow；性能提升

A K self-adaptive SDN controller placement for wide area networks

Peng Xiao, Zhi-yang Li, Song Guo, Heng Qi, Wen-yu Qu, Hai-sheng Yu

DOI: 10.1631/FITEE.1500350 Downloaded: 2792 Clicked: 6366 Cited: 2 Commented: 0(p.620-633) <Full Text> <PPT> 1800

Chinese summary <26> 一(yī)種K自适應的廣域網SDN控制器部署方法

目的：軟件定義網絡（software-defined networking）作爲一(yī)種新技術框架，正成爲未來網絡技術的核心。軟件定義網絡的核心思想就是控制平面和數據平面分(fēn)離(lí)，方便管理和控制編程。雖然軟件定義網絡已在數據中(zhōng)心這樣的局域網中(zhōng)得到了應用和部署，但在更大(dà)規模的廣域網上部署依然面臨着很多問題，如SDN域劃分(fēn)、控制器部署等問題。本文提出了一(yī)種基于譜的SDN控制器部署方法，通過此方法能将較大(dà)的網絡劃分(fēn)成小(xiǎo)的SDN域并選擇其控制器位置。通過分(fēn)析模型的矩陣擾動和本征間隙，能夠自動得到SDN域個數，以達到較好的劃分(fēn)效果和控制器部署方案。
創新點：提出基于譜的SDN控制器部署模型，以解決廣域網SDN域劃分(fēn)及控制器部署問題；通過分(fēn)析模型，提出一(yī)種K自适應的廣域網SDN控制器部署方法，能夠自動得到SDN域個數，以達到較好的劃分(fēn)效果和控制器部署方案。
方法：通過分(fēn)析模型的矩陣擾動和本征間隙，能夠自動得到SDN域個數，以達到較好的劃分(fēn)效果和控制器部署方案。結合廣域網拓撲和SDN平台建立了仿真實驗框架，利用該框架進行相關實驗，驗證模型的準确性和有效性。
結論：本文的方法能較好的解決SDN域劃分(fēn)和控制器部署問題（圖3、5）。K自适應方法所得到的結果與實際劃分(fēn)效果一(yī)緻（圖6-11）。

關鍵詞組：軟件定義網絡；控制器部署；K自适應方法

A secure and high-performance multi-controller architecture for software-defined networking

Huan-zhao Wang, Peng Zhang, Lei Xiong, Xin Liu, Cheng-chen Hu

DOI: 10.1631/FITEE.1500321 Downloaded: 2854 Clicked: 5811 Cited: 2 Commented: 0(p.634-646) <Full Text> <PPT> 1604

Chinese summary <23> 一(yī)種安全、高性能的軟件定義網絡多控制器體(tǐ)系結構

目的：控制器在軟件定義網絡（software-defined networking，SDN）中(zhōng)扮演着至關重要的角色。然而現有的SDN控制器體(tǐ)系結構存在單點失效、響應時延較大(dà)等問題。本文提出一(yī)種名爲分(fēn)布式數據存儲（distributed rule store，DRS）的SDN多控制器體(tǐ)系結構，預先計算流表規則，并分(fēn)布式緩存在不同控制器實例上。如此，每個控制器僅存儲其中(zhōng)的一(yī)部分(fēn)規則，且來自交換機的請求被分(fēn)配到不同的控制器進行并行處理，從而達到減小(xiǎo)響應時延，解決單點失效的目的。
創新點：提出一(yī)種名爲DRS的軟件定義網絡多控制器體(tǐ)系結構；通過實驗證明該控制器體(tǐ)系結果對于已有的ONOS和Floodlight控制器，數據流建立的時間更短、吞吐量更大(dà)。
方法：在控制器中(zhōng)預先計算網絡中(zhōng)的流表規則，利用分(fēn)布式哈希表将這些規則存儲在不同的控制器實例上。每個控制器周期性地檢查其他控制器中(zhōng)規則的完整性，防止單個控制器上規則的失效和篡改。當交換機請求流表時，系統根據控制器當前負載，将請求分(fēn)配到相應控制器進行處理。
結論：本文提出的多控制體(tǐ)系結構可以有效保證分(fēn)布式規則存儲的一(yī)緻性（圖5）；相對于已有的ONOS和Floodlight控制器，數據流建立的時間更短（圖6、7），吞吐量更大(dà)（圖8）；多個控制器實例的負載相對均衡（圖9、10）。

關鍵詞組：軟件定義網絡；安全；多控制器；分(fēn)布式規則存儲

An OpenFlow-based performance-oriented multipath forwarding scheme in datacenters

Bo Liu, Ming Chen, Bo Xu, Hui Hu, Chao Hu, Qing-yun Zuo, Chang-you Xing

DOI: 10.1631/FITEE.1601059 Downloaded: 2232 Clicked: 5746 Cited: 1 Commented: 0(p.647-660) <Full Text> <PPT> 1541

Chinese summary <23> 一(yī)種基于OpenFlow性能驅動的數據中(zhōng)心多路徑轉發方案

目的：盡管高連通度數據中(zhōng)心網絡（例如，FatTree）爲任意通信主機對提供了多條可用的傳輸路徑和大(dà)量的二分(fēn)帶寬，但目前廣泛使用的單路徑TCP和ECMP傳輸協議，由于低效的資(zī)源挖掘和分(fēn)配機制并沒有取得較好的網絡資(zī)源利用效率。本文提出了一(yī)種基于性能驅動的多路徑轉發方案LESSOR，用以提高數據中(zhōng)心網絡的資(zī)源利用效率。
創新點：LESSOR根據控制器的閑忙狀态（控制器CPU利用率）動态地調整網絡狀态的輪詢時間（算法1），從而維護更爲精細的網絡視圖；通過使用OpenFlow集中(zhōng)控制手段，LESSOR爲短流預安裝基于主機粒度負載均衡的路徑流表，減小(xiǎo)了短流的完成時間并降低了控制器的負載；對于長流，LESSOR根據全局網絡視圖爲每一(yī)條流計算近似最優的傳輸路徑和帶寬供給（算法2），從而實現更好的負載均衡特性和網絡的資(zī)源利用率。
方法：我(wǒ)們在Mininet仿真平台上使用數據中(zhōng)心網絡拓撲（FatTree和VL2）和真實數據中(zhōng)心網絡流量對LESSOR進行仿真驗證，同時在真實網絡環境下(xià)部署了LESSOR原型系統進行了進一(yī)步的測試。實驗表明LESSOR能有效提高網絡吞吐量，在不同水平的網絡負載下(xià)較現有的ECMP方案提高了4.9%-38.3%，較現有典型的Hedera方案也提高了2%-27.7%。同時，實驗結果表明LESSOR能有效減小(xiǎo)平均流完成時間。
結論：本文提出的方案能有效提高網絡吞吐量（圖4）；與Hedera方案相比，本文的方案能有效降低控制器負擔，并能充分(fēn)利用控制器的資(zī)源獲取更爲精細的網絡視圖（圖8）和更高的網絡吞吐量（圖6）。

關鍵詞組：數據中(zhōng)心網絡；流量工(gōng)程；OpenFlow；多路徑傳輸

A virtual service placement approach based on improved quantum genetic algorithm

Gang Xiong, Yu-xiang Hu, Le Tian, Ju-long Lan, Jun-fei Li, Qiao Zhou

DOI: 10.1631/FITEE.1500494 Downloaded: 3884 Clicked: 8516 Cited: 5 Commented: 0(p.661-671) <Full Text> <PPT> 1955

Chinese summary <24> 一(yī)種基于改進量子遺傳算法的虛拟服務部署方法

目的：在軟件定義網絡和網絡功能虛拟化技術不斷推動網絡功能服務演進和創新的同時，如何降低網絡業務流量在接受服務處理時的傳輸時延，進而提高網絡整體(tǐ)傳輸效率并降低帶寬資(zī)源消耗，成爲業界關注的一(yī)個新方向。
創新點：文章對當前正不斷興起的網絡虛拟服務部署場景進行具體(tǐ)分(fēn)析，提出了基于整數規劃的服務部署優化模型，并利用改進的量子遺傳算法對模型求解，有效提高了網絡在提供服務處理時的整體(tǐ)傳輸效率。
方法：首先，對網絡虛拟服務的部署場景進行具體(tǐ)分(fēn)析，将影響業務流量傳輸時延的因素與網絡拓撲結構和服務部署位置相關聯。其次，基于網絡拓撲結構和服務位置變量參數，利用整數規劃模型對服務位置優化部署問題進行建模。然後，針對服務優化部署模型所涉及的NP-hard問題，提出利用改進型的量子遺傳算法進行啓發式模型求解。最後，實驗結果表明，本文方法在降低網絡整體(tǐ)傳輸時延的同時，具有較小(xiǎo)的計算時間代價（圖7、8）；與随機部署策略相比，本文方法可平均降低業務流量的傳輸時延約30%（圖9、10），從而更加有效地保障了網絡傳輸效率。
結論：針對新型網絡體(tǐ)系（如軟件定義網絡和網絡功能虛拟化）中(zhōng)虛拟服務場景，提出了一(yī)種優化的網絡服務部署方法，有效降低了業務流量接受服務處理時的傳輸時延。

關鍵詞組：軟件定義網絡；網絡功能虛拟化；量子遺傳算法；網絡中(zhōng)間件

A video conferencing system based on SDN-enabled SVC multicast

En-zhong Yang, Lin-kai Zhang, Zhen Yao, Jian Yang

DOI: 10.1631/FITEE.1601087 Downloaded: 2713 Clicked: 6179 Cited: 1 Commented: 0(p.672-681) <Full Text> <PPT> 1673

Chinese summary <21> 軟件定義網絡中(zhōng)采用可伸縮視頻(pín)組播的視頻(pín)會議系統

目的：在軟件定義網絡中(zhōng)，基于可伸縮視頻(pín)編碼技術，采用組播的傳輸方式，設計實現視頻(pín)會議系統。該系統在節省網絡帶寬資(zī)源的同時，可以實現網絡内部的視頻(pín)碼率自适應調節，從而避免網絡擁塞，達到提高視頻(pín)會議參與者用戶體(tǐ)驗的目的。
創新點：我(wǒ)們設計了在軟件定義網絡中(zhōng)采用分(fēn)層組播思想的視頻(pín)會議系統。該系統摒棄了當前典型視頻(pín)會議系統中(zhōng)的多點控制單元（MCU），采用全新的架構，從而可以根據異構的終端能力、網絡的鏈路狀态，對與會者進行差異服務，提高服務質量。
方法：本文目标是能夠在節省帶寬、降低時延和保證服務質量的前提下(xià)，構建一(yī)個穩定全新的視頻(pín)會議系統。摒棄當前典型視頻(pín)會議系統的MCU，提出了全新的服務架構（圖2）。系統可分(fēn)爲四部分(fēn)功能實體(tǐ)：會議管理服務器，SDN網絡控制器，OpenFlow交換機和會議終端（圖3）。采用模塊化設計思想，在會議管理服務器中(zhōng)，集成了組管理、信息管理和接入控制等模塊；在網絡控制器中(zhōng)，集成了拓撲管理、QoS管理和路由管理等模塊。各功能實體(tǐ)和模塊相互協作，爲參會者提供視頻(pín)會議服務。我(wǒ)們搭建了一(yī)個試驗床來測試系統：首先測試了網絡帶寬的使用量和服務時延（圖6），之後測試了網絡内部SVC視頻(pín)層數自适應調節的性能（圖7、8）。實驗結果表明：相比于基于MCU的視頻(pín)會議系統和SDN單層視頻(pín)組播視頻(pín)會議系統，本文提出的系統性能更優。
結論：采用基于SDN的SVC視頻(pín)組播技術來構建視頻(pín)會議系統。所構建的系統可以根據異構的終端能力、網絡的鏈路狀态，對與會者進行差異服務并實現網絡内部的視頻(pín)層數動态調節，從而避免網絡擁塞，提高服務質量。

關鍵詞組：軟件定義網絡；組播；可伸縮視頻(pín)；視頻(pín)會議系統

A subtree-based approach to failure detection and protection for multicast in SDN

Vignesh Renganathan Raja, Chung-Horng Lung, Abhishek Pandey, Guo-ming Wei, Anand Srinivasan

DOI: 10.1631/FITEE.1601135 Downloaded: 2526 Clicked: 6594 Cited: 1 Commented: 0(p.682-700) <Full Text> <PPT> 1680

Chinese summary <29> 軟件定義網絡組播中(zhōng)一(yī)種基于Subtree來進行失敗檢測和保護的方法

目的：在軟件定義網絡（SDN）中(zhōng)，組播應用（比如實時視頻(pín)流和視頻(pín)會議）是非常流行的應用。但是這些應用大(dà)多對時延要求很高。一(yī)個正在進行的組播會話(huà)的失敗會導緻數據包的丢失和延遲，從而嚴重影響服務質量（QoS）。本文研究軟件定義網絡組播應用中(zhōng)失敗檢測和保護的方法。
創新點：本文提出了一(yī)種基于Subtree來對軟件定義網絡中(zhōng)OpenFlow交換機的組播樹(shù)進行失敗檢測和保護的方法。本方法能夠在組播樹(shù)中(zhōng)檢測鏈路或者節點的失敗，并且決定流表中(zhōng)組播樹(shù)中(zhōng)的哪個部分(fēn)需要改變來從失敗中(zhōng)恢複。
方法：利用軟件定義網絡中(zhōng)的控制平面來進行快速組播失敗恢複。在發生(shēng)失敗的情況下(xià)，控制器在相應的發生(shēng)鏈路或者節點失敗的交換機上安裝流表。
結論：本方法能夠有效地在組播樹(shù)中(zhōng)檢測鏈路或者節點的失敗。利用軟件定義網絡中(zhōng)的中(zhōng)心控制器，能夠快速建立備份鏈路，從而提高系統的服務質量。

關鍵詞組：軟件定義網絡；流表；組播

An efficient and coordinated mapping algorithm in virtualized SDN networks

Shui-qing Gong, Jing Chen , Qiao-yan Kang, Qing-wei Meng, Qing-chao Zhu , Si-yi Zhao

DOI: 10.1631/FITEE.1500387 Downloaded: 2602 Clicked: 6636 Cited: 1 Commented: 0(p.701-716) <Full Text> <PPT> 1822

Chinese summary <25> 面向虛拟SDN網絡的高效協調映射算法

目的：針對SDN網絡虛拟化環境，考慮虛拟網絡映射和控制器部署，以最小(xiǎo)化交換機到控制器的平均時延和映射開(kāi)銷爲目标，建立虛拟SDN網絡(vSDN)映射問題的數學模型，并提出一(yī)種高效協調的虛拟SDN網絡映射算法。
創新點：基于底層節點和鏈路的可用資(zī)源數量、底層節點間的時延和距離(lí)等因素，提出一(yī)種支持時延優化的高效協調虛拟SDN網絡映射算法。
方法：将vSDN中(zhōng)的控制器作爲一(yī)個特殊的虛拟節點，在vSDN映射過程中(zhōng)同時進行控制器的優化部署，并以最小(xiǎo)化交換機到控制器的平均時延和底層SDN網絡映射開(kāi)銷爲目标，建立vSDN映射的整數線性規劃模型，并提出一(yī)種支持時延優化的高效協調vSDN映射算法。該算法在節點映射階段首先進行控制器的部署，然後進行虛拟節點的映射。在控制器部署過程中(zhōng)，考慮底層節點可用資(zī)源和節點之間的通信時延，引入控制器位置選擇因子(CLSF)對底層節點進行排序，并将vSDN的控制器映射到CLSF值最大(dà)的底層節點上。在虛拟節點映射過程中(zhōng)，首先構建虛拟節點的映射樹(shù)，并考慮底層節點可用資(zī)源、底層節點到控制器的時延和距離(lí)等因素，引入節點映射因子(NR)對底層節點進行排序。然後按照廣度優先搜索策略将虛拟節點映射至NR值最大(dà)的底層節點上。節點映射完成後，采用k最短路徑法映射虛拟鏈路。
結論：本文提出的虛拟SDN網絡映射算法能夠有效協調控制器部署、虛拟節點映射和鏈路映射三個階段，保持了較高的映射收益開(kāi)銷比和vSDN請求接受率，并有效降低了交換機到控制器的時延(圖3-6)。

關鍵詞組：軟件定義網絡；網絡虛拟化；控制器部署；虛拟網絡映射；協調