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: 1676 Clicked: 3230 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: 3097 Clicked: 5528 Cited: 3 Commented: 0(p.606-619) <Full Text> <PPT> 1576

Chinese summary <29> 利用软件定义网络结构提升未来无线通信网络性能的方法研究与展望

概要：随着互联网的负载高速增长和各种应用的日益丰富，为提供方便、快捷的互联网接入服务，现有的网络结构已经变得相当复杂和多样，这给网络管理提出了新的挑战。为了应对这一挑战，软件定义网络的概念被提出，并被认为是一种有前景的解决方案。在软件定义网络结构中，网络控制域和数据传输域是分开的；所有的网络设备被抽象化，通过一个集中式的控制器来进行管理。通过使用软件定义网络的结构，网络管理变得灵活和高效，因此可以潜在地提升网络性能。为了充分利用软件定义网络的优势，最近又提出了软件定义无线网络结构。本文首先分析在不同无线网络中软件定义网络结构的应用。然后讨论在基于软件定义网络结构的无线网络中使性能提升的几个关键技术环节。最后，提出一些关于软件定义无线网络可能的未来研究方向。

关键词组：软件定义网络构；软件定义无线网络；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: 2766 Clicked: 6266 Cited: 2 Commented: 0(p.620-633) <Full Text> <PPT> 1773

Chinese summary <26> 一种K自适应的广域网SDN控制器部署方法

目的：软件定义网络（software-defined networking）作为一种新技术框架，正成为未来网络技术的核心。软件定义网络的核心思想就是控制平面和数据平面分离，方便管理和控制编程。虽然软件定义网络已在数据中心这样的局域网中得到了应用和部署，但在更大规模的广域网上部署依然面临着很多问题，如SDN域划分、控制器部署等问题。本文提出了一种基于谱的SDN控制器部署方法，通过此方法能将较大的网络划分成小的SDN域并选择其控制器位置。通过分析模型的矩阵扰动和本征间隙，能够自动得到SDN域个数，以达到较好的划分效果和控制器部署方案。
创新点：提出基于谱的SDN控制器部署模型，以解决广域网SDN域划分及控制器部署问题；通过分析模型，提出一种K自适应的广域网SDN控制器部署方法，能够自动得到SDN域个数，以达到较好的划分效果和控制器部署方案。
方法：通过分析模型的矩阵扰动和本征间隙，能够自动得到SDN域个数，以达到较好的划分效果和控制器部署方案。结合广域网拓扑和SDN平台建立了仿真实验框架，利用该框架进行相关实验，验证模型的准确性和有效性。
结论：本文的方法能较好的解决SDN域划分和控制器部署问题（图3、5）。K自适应方法所得到的结果与实际划分效果一致（图6-11）。

关键词组：软件定义网络；控制器部署；K自适应方法

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: 2835 Clicked: 5704 Cited: 2 Commented: 0(p.634-646) <Full Text> <PPT> 1592

Chinese summary <23> 一种安全、高性能的软件定义网络多控制器体系结构

目的：控制器在软件定义网络（software-defined networking，SDN）中扮演着至关重要的角色。然而现有的SDN控制器体系结构存在单点失效、响应时延较大等问题。本文提出一种名为分布式数据存储（distributed rule store，DRS）的SDN多控制器体系结构，预先计算流表规则，并分布式缓存在不同控制器实例上。如此，每个控制器仅存储其中的一部分规则，且来自交换机的请求被分配到不同的控制器进行并行处理，从而达到减小响应时延，解决单点失效的目的。
创新点：提出一种名为DRS的软件定义网络多控制器体系结构；通过实验证明该控制器体系结果对于已有的ONOS和Floodlight控制器，数据流建立的时间更短、吞吐量更大。
方法：在控制器中预先计算网络中的流表规则，利用分布式哈希表将这些规则存储在不同的控制器实例上。每个控制器周期性地检查其他控制器中规则的完整性，防止单个控制器上规则的失效和篡改。当交换机请求流表时，系统根据控制器当前负载，将请求分配到相应控制器进行处理。
结论：本文提出的多控制体系结构可以有效保证分布式规则存储的一致性（图5）；相对于已有的ONOS和Floodlight控制器，数据流建立的时间更短（图6、7），吞吐量更大（图8）；多个控制器实例的负载相对均衡（图9、10）。

关键词组：软件定义网络；安全；多控制器；分布式规则存储

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: 2215 Clicked: 5635 Cited: 1 Commented: 0(p.647-660) <Full Text> <PPT> 1533

Chinese summary <23> 一种基于OpenFlow性能驱动的数据中心多路径转发方案

目的：尽管高连通度数据中心网络（例如，FatTree）为任意通信主机对提供了多条可用的传输路径和大量的二分带宽，但目前广泛使用的单路径TCP和ECMP传输协议，由于低效的资源挖掘和分配机制并没有取得较好的网络资源利用效率。本文提出了一种基于性能驱动的多路径转发方案LESSOR，用以提高数据中心网络的资源利用效率。
创新点：LESSOR根据控制器的闲忙状态（控制器CPU利用率）动态地调整网络状态的轮询时间（算法1），从而维护更为精细的网络视图；通过使用OpenFlow集中控制手段，LESSOR为短流预安装基于主机粒度负载均衡的路径流表，减小了短流的完成时间并降低了控制器的负载；对于长流，LESSOR根据全局网络视图为每一条流计算近似最优的传输路径和带宽供给（算法2），从而实现更好的负载均衡特性和网络的资源利用率。
方法：我们在Mininet仿真平台上使用数据中心网络拓扑（FatTree和VL2）和真实数据中心网络流量对LESSOR进行仿真验证，同时在真实网络环境下部署了LESSOR原型系统进行了进一步的测试。实验表明LESSOR能有效提高网络吞吐量，在不同水平的网络负载下较现有的ECMP方案提高了4.9%-38.3%，较现有典型的Hedera方案也提高了2%-27.7%。同时，实验结果表明LESSOR能有效减小平均流完成时间。
结论：本文提出的方案能有效提高网络吞吐量（图4）；与Hedera方案相比，本文的方案能有效降低控制器负担，并能充分利用控制器的资源获取更为精细的网络视图（图8）和更高的网络吞吐量（图6）。

关键词组：数据中心网络；流量工程；OpenFlow；多路径传输

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: 3858 Clicked: 8402 Cited: 5 Commented: 0(p.661-671) <Full Text> <PPT> 1926

Chinese summary <24> 一种基于改进量子遗传算法的虚拟服务部署方法

目的：在软件定义网络和网络功能虚拟化技术不断推动网络功能服务演进和创新的同时，如何降低网络业务流量在接受服务处理时的传输时延，进而提高网络整体传输效率并降低带宽资源消耗，成为业界关注的一个新方向。
创新点：文章对当前正不断兴起的网络虚拟服务部署场景进行具体分析，提出了基于整数规划的服务部署优化模型，并利用改进的量子遗传算法对模型求解，有效提高了网络在提供服务处理时的整体传输效率。
方法：首先，对网络虚拟服务的部署场景进行具体分析，将影响业务流量传输时延的因素与网络拓扑结构和服务部署位置相关联。其次，基于网络拓扑结构和服务位置变量参数，利用整数规划模型对服务位置优化部署问题进行建模。然后，针对服务优化部署模型所涉及的NP-hard问题，提出利用改进型的量子遗传算法进行启发式模型求解。最后，实验结果表明，本文方法在降低网络整体传输时延的同时，具有较小的计算时间代价（图7、8）；与随机部署策略相比，本文方法可平均降低业务流量的传输时延约30%（图9、10），从而更加有效地保障了网络传输效率。
结论：针对新型网络体系（如软件定义网络和网络功能虚拟化）中虚拟服务场景，提出了一种优化的网络服务部署方法，有效降低了业务流量接受服务处理时的传输时延。

关键词组：软件定义网络；网络功能虚拟化；量子遗传算法；网络中间件

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: 2695 Clicked: 6066 Cited: 1 Commented: 0(p.672-681) <Full Text> <PPT> 1657

Chinese summary <21> 软件定义网络中采用可伸缩视频组播的视频会议系统

目的：在软件定义网络中，基于可伸缩视频编码技术，采用组播的传输方式，设计实现视频会议系统。该系统在节省网络带宽资源的同时，可以实现网络内部的视频码率自适应调节，从而避免网络拥塞，达到提高视频会议参与者用户体验的目的。
创新点：我们设计了在软件定义网络中采用分层组播思想的视频会议系统。该系统摒弃了当前典型视频会议系统中的多点控制单元（MCU），采用全新的架构，从而可以根据异构的终端能力、网络的链路状态，对与会者进行差异服务，提高服务质量。
方法：本文目标是能够在节省带宽、降低时延和保证服务质量的前提下，构建一个稳定全新的视频会议系统。摒弃当前典型视频会议系统的MCU，提出了全新的服务架构（图2）。系统可分为四部分功能实体：会议管理服务器，SDN网络控制器，OpenFlow交换机和会议终端（图3）。采用模块化设计思想，在会议管理服务器中，集成了组管理、信息管理和接入控制等模块；在网络控制器中，集成了拓扑管理、QoS管理和路由管理等模块。各功能实体和模块相互协作，为参会者提供视频会议服务。我们搭建了一个试验床来测试系统：首先测试了网络带宽的使用量和服务时延（图6），之后测试了网络内部SVC视频层数自适应调节的性能（图7、8）。实验结果表明：相比于基于MCU的视频会议系统和SDN单层视频组播视频会议系统，本文提出的系统性能更优。
结论：采用基于SDN的SVC视频组播技术来构建视频会议系统。所构建的系统可以根据异构的终端能力、网络的链路状态，对与会者进行差异服务并实现网络内部的视频层数动态调节，从而避免网络拥塞，提高服务质量。

关键词组：软件定义网络；组播；可伸缩视频；视频会议系统

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: 2509 Clicked: 6520 Cited: 1 Commented: 0(p.682-700) <Full Text> <PPT> 1673

Chinese summary <29> 软件定义网络组播中一种基于Subtree来进行失败检测和保护的方法

目的：在软件定义网络（SDN）中，组播应用（比如实时视频流和视频会议）是非常流行的应用。但是这些应用大多对时延要求很高。一个正在进行的组播会话的失败会导致数据包的丢失和延迟，从而严重影响服务质量（QoS）。本文研究软件定义网络组播应用中失败检测和保护的方法。
创新点：本文提出了一种基于Subtree来对软件定义网络中OpenFlow交换机的组播树进行失败检测和保护的方法。本方法能够在组播树中检测链路或者节点的失败，并且决定流表中组播树中的哪个部分需要改变来从失败中恢复。
方法：利用软件定义网络中的控制平面来进行快速组播失败恢复。在发生失败的情况下，控制器在相应的发生链路或者节点失败的交换机上安装流表。
结论：本方法能够有效地在组播树中检测链路或者节点的失败。利用软件定义网络中的中心控制器，能够快速建立备份链路，从而提高系统的服务质量。

关键词组：软件定义网络；流表；组播

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: 2585 Clicked: 6529 Cited: 1 Commented: 0(p.701-716) <Full Text> <PPT> 1802

Chinese summary <25> 面向虚拟SDN网络的高效协调映射算法

目的：针对SDN网络虚拟化环境，考虑虚拟网络映射和控制器部署，以最小化交换机到控制器的平均时延和映射开销为目标，建立虚拟SDN网络(vSDN)映射问题的数学模型，并提出一种高效协调的虚拟SDN网络映射算法。
创新点：基于底层节点和链路的可用资源数量、底层节点间的时延和距离等因素，提出一种支持时延优化的高效协调虚拟SDN网络映射算法。
方法：将vSDN中的控制器作为一个特殊的虚拟节点，在vSDN映射过程中同时进行控制器的优化部署，并以最小化交换机到控制器的平均时延和底层SDN网络映射开销为目标，建立vSDN映射的整数线性规划模型，并提出一种支持时延优化的高效协调vSDN映射算法。该算法在节点映射阶段首先进行控制器的部署，然后进行虚拟节点的映射。在控制器部署过程中，考虑底层节点可用资源和节点之间的通信时延，引入控制器位置选择因子(CLSF)对底层节点进行排序，并将vSDN的控制器映射到CLSF值最大的底层节点上。在虚拟节点映射过程中，首先构建虚拟节点的映射树，并考虑底层节点可用资源、底层节点到控制器的时延和距离等因素，引入节点映射因子(NR)对底层节点进行排序。然后按照广度优先搜索策略将虚拟节点映射至NR值最大的底层节点上。节点映射完成后，采用k最短路径法映射虚拟链路。
结论：本文提出的虚拟SDN网络映射算法能够有效协调控制器部署、虚拟节点映射和链路映射三个阶段，保持了较高的映射收益开销比和vSDN请求接受率，并有效降低了交换机到控制器的时延(图3-6)。

关键词组：软件定义网络；网络虚拟化；控制器部署；虚拟网络映射；协调