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面向大规模网络模拟的拓扑抽象算法研究

面向大规模网络模拟的拓扑抽象算法研究

作者：丁振全哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

伴随着科技的飞速发展，计算机网络在人们的日常生活中起着愈来愈重要的作用。如何研究网络，使其更好地服务于人类，已成为学术界的研究热点。网络模拟作为研究计算机网络的一种方法，具有较好的真实性、灵活性，深受研究者的青睐。面... 详细信息

伴随着科技的飞速发展，计算机网络在人们的日常生活中起着愈来愈重要的作用。如何研究网络，使其更好地服务于人类，已成为学术界的研究热点。网络模拟作为研究计算机网络的一种方法，具有较好的真实性、灵活性，深受研究者的青睐。面对大规模的网络拓扑，单机网络模拟已不能满足计算机网络研究的需要，为此人类开展多机并行网络模拟技术与网络拓扑抽象技术的研究。多机并行网络模拟的扩展性较差，且其性能与网络拓扑划分、远程路由策略、多机通信以及负载均衡等技术息息相关。因此，多机并行网络模拟解决大规模网络模拟问题，亦有一定的局限性。为此，本文研究网络拓扑抽象技术，提高拓扑抽象程度、降低网络拓扑规模、保证模拟真实性、降低模拟资源消耗。网络拓扑抽象技术主要关注两方面：拓扑抽象程度以及模拟真实性。二者紧密相连，一般而言，拓扑抽象程度愈高，模拟真实性愈差。如何在拓扑抽象程度与模拟真实性之间寻求一种平衡，使网络拓扑抽象技术的综合性能达到最优;如何根据实际情况，进行不同程度的拓扑抽象，并尽可能的保持模拟真实性，是网络拓扑抽象技术要研究的关键内容。本文提出的网络拓扑抽象算法主要包括冗余拓扑修剪、树形收缩以及区域收缩等过程，它能够根据实际需要，确定拓扑抽象程度，实现不同程度的网络拓扑抽象。冗余拓扑修剪与树形收缩对网络拓扑进行预处理：剪去网络拓扑的冗余节点以及冗余链路;将树形区域节点收缩至树根节点，并正确路由树形区域的内部数据包。区域收缩算法利用节点的权值、拓扑连接特性等，将符合收缩条件的区域收缩为一个节点或者一条链路。此外，本文利用AHP层次分析法，提出一种网络拓扑抽象算法的评价方法，它综合考虑了拓扑抽象程度与模拟真实性，同时结合了算法时间复杂度等，对网络拓扑抽象算法进行整体评价。利用2009年启明星辰公司提供的网络拓扑数据，进行试验分析发现，本文提出的网络拓扑抽象算法，能够较好的平衡拓扑抽象程度与模拟真实性：高抽象程度下依然保持较高的模拟真实性;利用评价方法分析发现，网络拓扑抽象算法在抽象程度0.69左右时，取得最佳性能，约为0.868。

关键词：大规模网络模拟网络拓扑抽象树形收缩区域收缩抽象系数

基于并行离散事件模拟的覆盖网络模拟平台实现

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基于并行离散事件模拟的覆盖网络模拟平台实现

作者：王旭清华大学

学位级别：硕士

P2P,即对等计算技术在当今的互联网中占有了越来越重要的地位。由于拥有良好的可扩展性,P2P系统的用户经常能够达到十万,甚至百万数量级。这使得在评价系统性能,预测系统行为变成了一项很困难的工作。大规模网络模拟器的缺乏已经成为P2... 详细信息

P2P,即对等计算技术在当今的互联网中占有了越来越重要的地位。由于拥有良好的可扩展性,P2P系统的用户经常能够达到十万,甚至百万数量级。这使得在评价系统性能,预测系统行为变成了一项很困难的工作。大规模网络模拟器的缺乏已经成为P2P领域发展的瓶颈。我们设计和实现了ONSP(Overlay Network Simulation Platform,覆盖网络模拟平台)来解决这个问题。ONSP以并行离散事件模拟为基础,利用并行计算的思想,使用MPI将数台机器连接在一起共同完成模拟工作。ONSP向设计人员提供了一个基于离散事件回调的程序接口,使得他们能够在ONSP上简单、独立的完成各种不同协议的实现。在ONSP的基础上,我们完成了BitTorrent,Skype和P2P流媒体的协议抽象和模拟。并在模拟的过程中对用户行为,网络状况进行建模,使得模拟环境更加接近实际应用环境。

关键词：大规模网络模拟并行离散事件模拟 BitTorrent Skype P2P流媒体

基于事件驱动的MapReduce类流量产生方法与网络评测

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计算机学报 2018年第10期41卷 2265-2281页

作者：邵恩孙凝晖郭嘉梁元国军王展曹政中国科学院计算技术研究所计算机体系结构国家重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

大规模网络结构设计是构建大规模分布式系统和E级高性能计算集群的核心技术之一,底层网络设计者需要结合顶层应用通信流量特征,进行网络结构选型与优化.不当的应用通信模型会引起网络结构设计与实际需求的背离,进而导致系统通信和整体... 详细信息

大规模网络结构设计是构建大规模分布式系统和E级高性能计算集群的核心技术之一,底层网络设计者需要结合顶层应用通信流量特征,进行网络结构选型与优化.不当的应用通信模型会引起网络结构设计与实际需求的背离,进而导致系统通信和整体性能的下降.传统基于"黑盒"数据分析的流量建模方法存在业务建模粒度粗和应用数据规模扩展性差等缺陷.该研究引入模拟业务内部逻辑的"事件驱动"思想,提出一种针对主流计算模式MapReduce进行流量建模与流量产生方法.与真实应用流量的对比评测显示,该方法能够准确体现MapReduce计算业务所产生网络流量的特征.基于正确的流量模型,该文对四种主流数据中心网络进行了性能模拟分析.结果表明:相较负载随机均匀分布流量,同一种网络在负载MapReduce特性流量时性能将下降超过30%,因此特性流量能更加明显地展现网络拥塞与瓶颈问题.仿真实验所得到的有关网络性能瓶颈、拓扑可扩展性以及网络性价比的结论,为大规模数据中心网络选型和性能优化提供了新的依据.

关键词：分布式系统 MapReduce 数据中心网络事件驱动大规模网络模拟

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面向大规模计算集群的多轨分割网络

计算机研究与发展 2017年第11期54卷 2534-2546页

作者：邵恩元国军郇志轩曹政孙凝晖计算机体系结构国家重点实验室(中国科学院计算技术研究所) 北京100190 中国科学院大学北京100049

在千万亿次规模的系统中,互连网络设计面临新的挑战.高性能节点和大规模是构建千万亿次系统的主要技术趋势,不断提高的节点计算能力要求互连网络提供更高的性能,而不断增大的规模又对互连网络扩展性提出了更高的要求.此外,随着系统规模... 详细信息

在千万亿次规模的系统中,互连网络设计面临新的挑战.高性能节点和大规模是构建千万亿次系统的主要技术趋势,不断提高的节点计算能力要求互连网络提供更高的性能,而不断增大的规模又对互连网络扩展性提出了更高的要求.此外,随着系统规模的增大,集合通信的执行时间也在不断增长,制约了应用的扩展性,集合通信的性能需要得到进一步优化.除性能之外,可靠性问题也随着系统规模的扩大而日益严重.而随着计算节点性能的不断提高,互连网络逐渐成为限制大规模计算机系统性能的瓶颈.互连网络核心部件交换芯片可提供的聚合网络带宽受到工艺和封装技术的限制.从网络结构与交换机结构的协同设计思想出发,提出了一种在交换机聚合带宽限定的条件下多轨分割网络结构和设计方法.通过数学建模和网络模拟仿真,分析了该多轨分割网络的性能边界.评测结果表明:该网络可将短消息(长度小于128B)的平均延迟性能提高10倍以上,为以短消息占多数的数据中心网络的性能优化提供了新思路.

关键词：大规模计算集群多轨网络带宽分割数据中心网络大规模网络模拟

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基于PDNS的本地静态路由算法的优化

基于PDNS的本地静态路由算法的优化

作者：王轩春哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着Internet呈爆炸式的增长,人们经常会遇到网络拥塞和服务质量低等一系列问题。因此,对大规模网络行为研究已是当务之急。网络模拟作为计算机网络研究的主要手段,以周期小、可操作性强等优点被广泛使用。本文以分布式/并行网络模拟软... 详细信息

随着Internet呈爆炸式的增长,人们经常会遇到网络拥塞和服务质量低等一系列问题。因此,对大规模网络行为研究已是当务之急。网络模拟作为计算机网络研究的主要手段,以周期小、可操作性强等优点被广泛使用。本文以分布式/并行网络模拟软件PDNS(Parallel and Distributed Network Simulator)为例,选择对其性能影响较大的本地静态路由策略展开研究。本地静态路由策略主要研究单模拟器上对于静态拓扑结构的路由计算。通过对当前七种路由策略的分析研究,发现在大规模模拟时平衡时间复杂性和空间复杂性是分析路由策略的关键,而路由内存需求仍是大规模模拟时的主要瓶颈。本文总结了路由策略实现和优化的关键技术,并通过分析网络拓扑结构,提出了基于区域划分的本地静态路由策略。本文通过采用树形收缩、子网划分和节点着色等算法对拓扑结构进行重新编排,从而在满足空间约束性的情况下,根据节点向量表现的不同特征进行最小限度的访问。通过对各区域定制不同的存储方案,采用区域间配合路由、最早公共祖先等算法实现任意节点对之间的路由计算和查找。在保证路由查找效率的情况下,降低了空间存储。通过测试,应用提出的本地静态路由策略,与MTreeix路由策略从模拟时间和模拟空间上进行了实验数据对比,在保证模拟真实性的基础上,时间复杂性和MTreeix相当,空间复杂性节省了约70%,更适合大规模的网络模拟。

关键词：大规模网络模拟本地静态路由策略区域划分节点编码

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网格环境下并行模拟器的任务重调度

网格环境下并行模拟器的任务重调度

作者：潘池浪哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着Internet的发展和应用的深入,对它的研究显得越来越重要和必要。模拟作为一种不可替代的网络研究方法,在网络规模的扩展和网络性能评价的准确性方面临了更高的挑战。研究界针对大规模网络模拟对计算和存储资源的依赖提出两种解决方... 详细信息

随着Internet的发展和应用的深入,对它的研究显得越来越重要和必要。模拟作为一种不可替代的网络研究方法,在网络规模的扩展和网络性能评价的准确性方面临了更高的挑战。研究界针对大规模网络模拟对计算和存储资源的依赖提出两种解决方案,一是希望通过分析抽象来减少对资源的消耗实现网络规模的扩展;二是通过采用并行模拟技术来改进模拟的规模和速度。本文主要针对在第二种解决方案的实现过程中所面临的容错问题进行研究,目的在于使并行分布式大规模网络模拟能更好地利用网格的资源优势,提供可靠持续的模拟服务。本文以并行分布式网络模拟器PDNS为研究对象,设想通过为其实现应用级的检查点和恢复功能,提高它的容错能力,从而可以可靠、持续地在分布式或网格环境中运行PDNS模拟任务。当运行模拟任务的节点出现故障时,可以利用检查点文件进行进程迁移,然后在网格调度系统新提供的资源上恢复运行,这还涉及到其余模拟节点进程的一致性回滚。文章首先将阐明选择应用级实现检查点和恢复技术的依据,随后将介绍“基于任务进展描述的应用级检查点”作为理论模型和技术参考。进而通过深入分析PDNS原理、结构和实现,抽象出PDNS运行时的状态数据,并定义相应数据结构保存其在检查点时刻的能保证正确恢复的状态信息。为确保各分节点及RTI检查点信息的一致性,需要明确给出保存与恢复的流程,以及恢复网络通信的方法。最后在实现了PDNS应用级检查点和恢复功能的基础上,力图给出并行模拟任务在网格中的容错重调度系统。该系统结合网格的资源管理和任务调度功能,提出并行模拟运行在网格平台上的方式,即如何利用网格的错误监控和定位,及时发现错误,如何利用网格的任务调度在新资源上及时恢复且保证效率,最终得以透明地在不过多损失原有计算量的基础上持续运行。同时,为保证课题完整性,结合课题组的研究成果,给出一个考虑应用生存性的网格应用管理系统。

关键词：大规模网络模拟检查点网格容错任务调度