CN102843300A - 实现Openflow交换机系统中控制器负载平衡的方法及系统 - Google Patents
实现Openflow交换机系统中控制器负载平衡的方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种实现Openflow交换机系统中控制器负载平衡的方法及系统，其方法包括：接收网络报文；计算各报文所对应的报文加权值及各控制器所对应的控制器加权值；根据所述报文加权值，获取多个报文加权值区间，并根据各控制器加权值，为每一个报文加权值区间对应一个控制器，其中，所述报文加权值区间的数目与控制器的数目相等；根据当前报文的报文加权值所处于的报文加权值区间，将该报文发送至与该报文加权值区间相对应的控制器。本发明通过获取多个报文加权值区间以及与之对应的多个控制器权值，并将处于一定权值区间内的报文发送到对应的控制器，从而实现Openflow交换机系统中各控制器的负载平衡。
Description
技术领域
本发明涉及以太网领域技术，尤其涉及一种实现Openflow交换机系统中控制器负载平衡的方法及系统。
背景技术
目前互联网发展迅速，其应用规模的庞大及其地位的重要性，远远超出了设计者们的想象，而现在的互联网主要有以下弊端：特定的范围内没有统一的管理、网络转发机制与策略单一、运营商难以最大限度优化自身网络、以及传统交换机用于转发的功能和协议多且杂，很难配置，系统容易出错等问题。为应对上述弊端，人们提出了Openflow交换机，其将传统交换机上的报文转发和转发策略分离开来，采用专门的一台控制器（controller）通过网线和交换机连接。这样原来同在一台交换机设备上的报文转发功能（硬件芯片实现）和报文转发策略（各种软件协议）就被分开到了不同的硬件设备上。而一台控制器还可以控制多台Openflow交换机，从而实现了统一的转发控制端，更有效地控制了网络。
目前，由于Openflow交换机系统中的控制通道(control path)和多个控制器(controller)之间的网络连接的不确定性(如网络中断)，导致控制器的反应速度慢，且在packet_in报文过多时，易造成系统中的控制器负担过重，进而在一定程度上造成系统不稳定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实现Openflow交换机系统中控制器负载平衡的方法，提高交换机系统的稳定性。
相应于上述方法，本发明的另一目的在于提供一种实现Openflow交换机系统中控制器负载平衡的系统。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
一种实现Openflow交换机系统中控制器负载平衡的方法，其包括：
S1、接收网络报文；
S2、计算各报文所对应的报文加权值及各控制器所对应的控制器加权值；
S3、根据所述报文加权值，获取多个报文加权值区间，并根据各控制器加权值，为每一个报文加权值区间对应一个控制器，其中，所述报文加权值区间的数目与控制器的数目相等；
S4、根据当前报文的报文加权值所处于的报文加权值区间，将该报文发送至与该报文加权值区间相对应的控制器。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤S2中，“计算报文加权值”的步骤具体包括：首先，根据各报文自身的优先级字段进行加权，得到包权值；然后，根据Openflow流自身的优先级进行加权，得到流权值；最后，根据所述包权值及流权值，计算得出所述报文加权值，其中，报文加权值=（2/3）*包权值+（1/3）*流权值。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤S2中，“计算控制器加权值”的步骤具体包括：首先，获取控制器与交换机之间的网络链路的速度权值；再根据控制器所连接的交换机数目得到数量权值；然后，根据控制器当前的服务质量得到质量权值；最后，综合所述速度权值、数量权值、及质量权值计算得出控制器加权值，其中，控制器加权值= （2/4）*速度权值+（1/4）*数量权值+（1/4）*质量权值。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤S3中，“获取多个报文加权值区间”的步骤具体包括：首先，将所有报文加权值按大小进行排序，并均匀划分为N个报文组，其中，N为控制器的数目；然后，根据每个报文组中报文加权值，获取N个初始权值区间；再将低优先级的初始权值区间的区间上限设置为与高优先级的初始权值区间的区间下限相等；最后，将最高优先级的的初始权值区间的区间上限设为100，将最低优先级的的初始权值区间的区间下限设为0。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S3还具体包括：根据当前控制器对应的控制器加权值所位于的报文加权值区间，将该控制器与该报文加权值区间相对应。
相应地，本发明提供的一种实现Openflow交换机系统中控制器负载平衡的系统，其包括：
报文接收单元、用于接收网络报文；
权值计算单元、用于计算各报文所对应的报文加权值及各控制器所对应的控制器加权值；
控制器对应单元、用于根据所述报文加权值，获取多个报文加权值区间，并根据各控制器加权值，为每一个报文加权值区间对应一个控制器，其中，所述报文加权值区间的数目与控制器的数目相等；
报文分发单元、用于根据当前报文的报文加权值所处于的报文加权值区间，将该报文发送至与该报文加权值区间相对应的控制器。
作为本发明的进一步改进，所述权值计算单元包括一报文权值计算单元，其用于：根据各报文自身的优先级字段进行加权，得到包权值；根据Openflow流自身的优先级进行加权，得到流权值；根据所述包权值及流权值，计算得出所述报文加权值，其中，报文加权值=（2/3）*包权值+（1/3）*流权值。
作为本发明的进一步改进，所述权值计算单元包括一控制器权值计算单元，其用于：获取控制器与交换机之间的网络链路的速度权值；根据控制器所连接的交换机数目得到数量权值；根据控制器当前的服务质量得到质量权值；综合所述速度权值、数量权值、及质量权值计算得出控制器加权值，其中，控制器加权值= （2/4）*速度权值+（1/4）*数量权值+（1/4）*质量权值。
作为本发明的进一步改进，所述控制器对应单元具体用于：将所有报文加权值按大小进行排序，并均匀划分为N个报文组，其中，N为控制器的数目；根据每个报文组中报文加权值，获取N个初始权值区间；将低优先级的初始权值区间的区间上限设置为与高优先级的初始权值区间的区间下限相等；将最高优先级的的初始权值区间的区间上限设为100，将最低优先级的的初始权值区间的区间下限设为0。
作为本发明的进一步改进，所述控制器对应单元还用于：根据当前控制器对应的控制器加权值所位于的报文加权值区间，将该控制器与该报文加权值区间相对应。
本发明的有益效果是：本发明通过获取多个报文加权值区间以及与之对应的多个控制器权值，并将处于一定权值区间内的报文发送到对应的控制器，从而实现Openflow交换机系统中各控制器的负载平衡，提高了系统稳定性。
附图说明
图1是本发明Openflow交换机系统的网络架构示意图；
图2是本发明具体实施方式中实现Openflow交换机系统中控制器负载平衡的方法的流程图；
图3是本发明具体实施方式中实现Openflow交换机系统中控制器负载平衡的系统的单元示意图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
参图1所示，其为传统Openflow交换机系统的网络架构，其包括多个控制器（controller1、controller2、controller3…controllerN），控制器与Operflow交换机（一个或多个）之间通过控制网络相连，Openflow交换机另一端通过多业务端口连接多个终端设备（终端1、终端2、终端3…终端N），上述终端设备可包括手机、电脑、PDA（个人数字处理）等。所述终端可通过数据通道与Openflow交换机相互通信，实现报文发送，本发明提供一种基于上述交换机系统来实现Openflow交换机系统的高稳定性、高可靠性及高响应速度的方法。
如图2所示，在本发明一具体实施例中，为了改良Openflow网络中的控制通道，本发明依靠使不同特点的报文发送到不同状态的控制器，以达到负载平衡的效果，具体地，该方法主要包括如下步骤：
S1、接收来自于各终端设备的网络报文；
S2、计算各报文所对应的报文加权值及各控制器所对应的控制器加权值；
其中，在本发明具体实施方式中，在步骤S2中，“计算报文加权值”的步骤具体包括：
S21、根据各报文自身的优先级字段进行加权，得到包权值packet_priority（权值范围为0~100）；其中，报文字段包括基于VLAN报文的报文优先级（VLAN Priority）、基于IP报文的报文优先级（DSCP/ToS）、基于MPLS报文的报文优先级（MPLS Exp Bit）等，对于上述各类型的报文，报文优先级越高，其加权值也就越高。
S22、根据Openflow流自身的优先级进行加权，得到流权值flow_priority；同样地，流权值flow_priority的范围也为0~100。
S23、根据所述包权值packet_priority及流权值flow_priority，计算得出所述报文加权值overall_packet_priority（权值范围为0~100），其中，报文加权值=（2/3）*包权值+（1/3）*流权值。值得一提的是，上述packet_priority和overall_packet_priority的计算均可由特定功能的芯片来实现，也可以直接集成到包处理芯片中。
其中，本发明交换机需要收集各控制器的控制器加权值，该控制器加权值overall_controller_priority（权值范围为0~100）是根据Openflow交换机和控制器之间网络链路的当前状态以及控制器的状态得到的，具体地，上述步骤S2中，“计算控制器加权值”的步骤具体包括：
S24、获取控制器与交换机之间的网络链路的速度权值link_priority（权值范围为0~100）；其中，具体地，系统定时由交换机给各控制器发送Echo Request消息，间隔一段时间后，交换机会接收到控制器回复的Echo Reply报文，此时，交换机可以算出交换机和控制器之间网络链路的速度，链路速度 = Echo Request报文长度/（2 * 间隔时间)。
S25、根据控制器所连接的交换机数目得到数量权值concurrent_connection_priority（权值范围为0~100）；
S26、根据控制器当前的服务质量得到质量权值service_quality_priority（权值范围为0~100）；其中，服务质量包括过去一小时的CPU/内存占用比例、控制器的硬件性能和重启次数等；
S27、综合所述速度权值link_priority、数量权值concurrent_connection_priority、及质量权值service_quality_priority计算得出控制器加权值ovserall_controller_priority，其中，控制器加权值= （2/4）*速度权值+（1/4）*数量权值+（1/4）*质量权值。
在本发明更优选的实施方式中，Openflow交换机和控制器之间网络链路的加权数据，每隔一段时间(30秒)，交换机都要向控制器请求一次；并且，每隔1分钟，交换机需要计算出综合加权值。
本发明以设置三个控制器的交换机系统为例，交换机根据各子项的加权值得到一张报文加权值和控制器加权值的对应表格，只需要每分钟随机采样选取12个报文（采样本文数目不一定），根据权值大小排序，可以得到表格（表1）如下：
| 报文 | 报文加权值 | 控制器识别号 | 控制器加权值 |
| 报文1 | 90 | 控制器1 | 80 |
| 报文2 | 85 | 控制器2 | 70 |
| 报文3 | 80 | 控制器3 | 40 |
| 报文4 | 76 | ||
| 报文5 | 50 | ||
| 报文6 | 45 | ||
| 报文7 | 34 | ||
| 报文8 | 32 | ||
| 报文9 | 30 | ||
| 报文10 | 20 | ||
| 报文11 | 18 | ||
| 报文12 | 10 |
S3、根据所述报文加权值，获取多个报文加权值区间，并根据各控制器加权值，为每一个报文加权值区间对应一个控制器，其中，所述报文加权值区间的数目与控制器的数目相等；
其中，优选地，本实施方式中，在所述步骤S3中，“获取多个报文加权值区间”的步骤具体包括：
S31、将所有报文加权值按大小进行排序，并均匀划分为N个报文组，其中，N为控制器的数目；参表1所示，比如N为3，报文采样了12条，那分为3组，每组4条报文加权值：（90、85、80、76）、（50、45、34、32）、（30、20、18、10）。
S32、根据每个报文组中报文加权值，获取N个初始权值区间；
第1组报文：报文1~4，报文加权值区间【76，90】；
第2组报文：报文5~8，报文加权值区间【32，50】；
第3组报文：报文9~12，报文加权值区间【10，30】。
S33、将低优先级的初始权值区间的区间上限设置为与高优先级的初始权值区间的区间下限相等；至此，得到的各权值区间为：
第1组报文：报文1~4，报文加权值区间【76，90】；
第2组报文：报文5~8，报文加权值区间【32，76】；
第3组报文：报文9~12，报文加权值区间【10，32】。
S34、将最高优先级的的初始权值区间的区间上限设为100，将最低优先级的的初始权值区间的区间下限设为0。至此，得到的最终的报文权值区间为：
第1组报文：报文1~4，报文加权值区间【76，100】；
第2组报文：报文5~8，报文加权值区间【32，76】；
第3组报文：报文9~12，报文加权值区间【0，32】。
在本实施方式中，优选地，所述步骤S3还具体包括：
S35、根据当前控制器对应的控制器加权值所位于的报文加权值区间，将该控制器与该报文加权值区间相对应。
按照表1的具体实施例，得出的对应关系是：
第1组报文：报文1~4，报文加权值区间【76，100】，对应控制器1(加权值:80)；第2组报文：报文5~8，报文加权值区间【32，76】，对应控制器2 (加权值:70)；第3组报文：报文9~12，报文加权值区间【0，32】，对应控制器3(加权值:40)。
S4、根据当前报文的报文加权值所处于的报文加权值区间，将该报文发送至与该报文加权值区间相对应的控制器，便可以实现各控制器负载平衡。其中，值得一提的是，同一个TCP会话的报文，需要发往同一个控制器，防止报文乱序。
接下来，请参图3所示，在本发明一具体实施例中，应用上述方法的一种实现Overflow交换机系统中控制器负载均衡的系统，包括如下单元：
报文接收单元10、用于接收来自于各终端设备的网络报文；
权值计算单元20、用于计算各报文所对应的报文加权值及各控制器所对应的控制器加权值；
其中，在本发明具体实施方式中，所述权值计算单元20包括一报文权值计算单元21，其主要通过以下过程完成报文权值的计算：
首先，根据各报文自身的优先级字段进行加权，得到包权值packet_priority（权值范围为0~100）；其中，报文字段包括基于VLAN报文的报文优先级（VLAN Priority）、基于IP报文的报文优先级（DSCP/ToS）、基于MPLS报文的报文优先级（MPLS Exp Bit）等，对于上述各类型的报文，报文优先级越高，其加权值也就越高。接着，根据Openflow流自身的优先级进行加权，得到流权值flow_priority；同样地，流权值flow_priority的范围也为0~100。然后，根据所述包权值packet_priority及流权值flow_priority，计算得出所述报文加权值overall_packet_priority（权值范围为0~100），其中，报文加权值=（2/3）*包权值+（1/3）*流权值。值得一提的是，上述packet_priority和overall_packet_priority的计算均可由特定功能的芯片来实现。
其中，在本发明具体实施方式中，所述权值计算单元20包括一控制器权值计算单元22，其计算控制器权值的过程大致如下：
首先，获取控制器与交换机之间的网络链路的速度权值link_priority（权值范围为0~100）；其中，具体地，系统定时由交换机给各控制器发送Echo Request消息，间隔一段时间后，交换机会接收到控制器回复的Echo Reply报文，此时，交换机可以算出交换机和控制器之间网络链路的速度，链路速度 = Echo Request报文长度/（2 * 间隔时间)。然后，根据控制器所连接的交换机数目得到数量权值concurrent_connection_priority（权值范围为0~100）；再根据控制器当前的服务质量得到质量权值service_quality_priority（权值范围为0~100）；其中，服务质量包括过去一小时的CPU/内存占用比例、控制器的硬件性能和重启次数等，最后，综合所述速度权值link_priority、数量权值concurrent_connection_priority、及质量权值service_quality_priority计算得出控制器加权值ovserall_controller_priority，其中，控制器加权值= （2/4）*速度权值+（1/4）*数量权值+（1/4）*质量权值。在本实施方式中，Openflow交换机和控制器之间网络链路的加权数据，每隔一段时间(30秒)，交换机都要向控制器请求一次；并且，每隔1分钟，交换机需要计算出综合加权值。
控制器对应单元30、用于根据所述报文加权值，获取多个报文加权值区间，并根据各控制器加权值，为每一个报文加权值区间对应一个控制器，其中，所述报文加权值区间的数目与控制器的数目相等；
其中，优选地，本实施方式中，所述控制器对应单元30具体用于：
将所有报文加权值按大小进行排序，并均匀划分为N个报文组，其中，N为控制器的数目；其中，参表1所示，还是以三个控制器、12个采样报文的实施例为例进行描述，每组4条报文加权值：（90、85、80、76）、（50、45、34、32）、（30、20、18、10）。
根据每个报文组中报文加权值，获取N个初始权值区间；
第1组报文：报文1~4，报文加权值区间【76，90】；
第2组报文：报文5~8，报文加权值区间【32，50】；
第3组报文：报文9~12，报文加权值区间【10，30】。
将低优先级的初始权值区间的区间上限设置为与高优先级的初始权值区间的区间下限相等；至此，得到的各权值区间为：
第1组报文：报文1~4，报文加权值区间【76，90】；
第2组报文：报文5~8，报文加权值区间【32，76】；
第3组报文：报文9~12，报文加权值区间【10，32】。
将最高优先级的的初始权值区间的区间上限设为100，将最低优先级的的初始权值区间的区间下限设为0。至此，得到的最终的报文权值区间为：
第1组报文：报文1~4，报文加权值区间【76，100】；
第2组报文：报文5~8，报文加权值区间【32，76】；
第3组报文：报文9~12，报文加权值区间【0，32】。
在本实施方式中，优选地，所述步骤S3还具体包括：
其中，优选地，本实施方式中，所述控制器对应单元30还用于：根据当前控制器对应的控制器加权值所位于的报文加权值区间，将该控制器与该报文加权值区间相对应。
按照表1的具体实施例，得出的对应关系是：
第1组报文：报文1~4，报文加权值区间【76，100】，对应控制器1(加权值:80)；第2组报文：报文5~8，报文加权值区间【32，76】，对应控制器2 (加权值:70)；第3组报文：报文9~12，报文加权值区间【0，32】，对应控制器3(加权值:40)。
报文分发单元40、用于根据当前报文的报文加权值所处于的报文加权值区间，将该报文发送至与该报文加权值区间相对应的控制器，便可以实现各控制器负载平衡。其中，值得一提的是，同一个TCP会话的报文，需要发往同一个控制器，防止报文乱序。
综上，本发明所描述的方法及系统均通过获取多个报文加权值区间以及与之对应的多个控制器权值，并将处于一定权值区间内的报文发送到对应的控制器，从而实现Openflow交换机系统中各控制器的负载平衡，提高了系统稳定性。
值得一提的是，本文中所提及的“S1”、“S2”…“Sx”等步骤编号，其相互之间不一定存在先后关系，例如，步骤“S1”不一定发生于步骤“S2”之前，特此声明。
以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施方式方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种实现Openflow交换机系统中控制器负载平衡的方法，其特征在于，该方法包括：
S1、接收网络报文；
S2、计算各报文所对应的报文加权值及各控制器所对应的控制器加权值；
S3、根据所述报文加权值，获取多个报文加权值区间，并根据各控制器加权值，为每一个报文加权值区间对应一个控制器，其中，所述报文加权值区间的数目与控制器的数目相等；
S4、根据当前报文的报文加权值所处于的报文加权值区间，将该报文发送至与该报文加权值区间相对应的控制器。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S2中，“计算报文加权值”的步骤具体包括：
根据各报文自身的优先级字段进行加权，得到包权值；
根据Openflow流自身的优先级进行加权，得到流权值；
根据所述包权值及流权值，计算得出所述报文加权值，其中，报文加权值=（2/3）*包权值+（1/3）*流权值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S2中，“计算控制器加权值”的步骤具体包括：
获取控制器与交换机之间的网络链路的速度权值；
根据控制器所连接的交换机数目得到数量权值；
根据控制器当前的服务质量得到质量权值；
综合所述速度权值、数量权值、及质量权值计算得出控制器加权值，其中，控制器加权值= （2/4）*速度权值+（1/4）*数量权值+（1/4）*质量权值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S3中，“获取多个报文加权值区间”的步骤具体包括：
将所有报文加权值按大小进行排序，并均匀划分为N个报文组，其中，N为控制器的数目；
根据每个报文组中报文加权值，获取N个初始权值区间；
将低优先级的初始权值区间的区间上限设置为与高优先级的初始权值区间的区间下限相等；
将最高优先级的的初始权值区间的区间上限设为100，将最低优先级的的初始权值区间的区间下限设为0。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3还具体包括：
根据当前控制器对应的控制器加权值所位于的报文加权值区间，将该控制器与该报文加权值区间相对应。
6.一种实现Openflow交换机系统中控制器负载平衡的系统，其特征在于，该系统包括：
报文接收单元、用于接收网络报文；
权值计算单元、用于计算各报文所对应的报文加权值及各控制器所对应的控制器加权值；
控制器对应单元、用于根据所述报文加权值，获取多个报文加权值区间，并根据各控制器加权值，为每一个报文加权值区间对应一个控制器，其中，所述报文加权值区间的数目与控制器的数目相等；
报文分发单元、用于根据当前报文的报文加权值所处于的报文加权值区间，将该报文发送至与该报文加权值区间相对应的控制器。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述权值计算单元包括一报文权值计算单元，其用于：
根据各报文自身的优先级字段进行加权，得到包权值；
根据Openflow流自身的优先级进行加权，得到流权值；
根据所述包权值及流权值，计算得出所述报文加权值，其中，报文加权值=（2/3）*包权值+（1/3）*流权值。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述权值计算单元包括一控制器权值计算单元，其用于：
获取控制器与交换机之间的网络链路的速度权值；
根据控制器所连接的交换机数目得到数量权值；
根据控制器当前的服务质量得到质量权值；
综合所述速度权值、数量权值、及质量权值计算得出控制器加权值，其中，控制器加权值= （2/4）*速度权值+（1/4）*数量权值+（1/4）*质量权值。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述控制器对应单元具体用于：
将所有报文加权值按大小进行排序，并均匀划分为N个报文组，其中，N为控制器的数目；
根据每个报文组中报文加权值，获取N个初始权值区间；
将低优先级的初始权值区间的区间上限设置为与高优先级的初始权值区间的区间下限相等；
将最高优先级的的初始权值区间的区间上限设为100，将最低优先级的的初始权值区间的区间下限设为0。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述控制器对应单元还用于：
根据当前控制器对应的控制器加权值所位于的报文加权值区间，将该控制器与该报文加权值区间相对应。
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