CN105024939A - 一种基于OpenFlow的SDN网络环境下分布式控制器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于OpenFlow的SDN网络环境下分布式控制器系统，该系统包括决策器模块、控制器资源池、OpenFlow控制服务器和OpenFlow交换机；决策器模块是整个系统功能的核心，负责检测active_controller，即：处于工作状态的控制器，在其过载时将进行负载均衡决策，从资源池中调入新的控制器加入工作，并且周期性检查active_controller负载情况，完成控制器资源的回收；控制器资源池是收集所有的empty_controller，即：处于空闲状态的控制器合集，资源池的动态增减由决策器控制；OpenFlow控制服务器要实时监测自身负载，过载时要将负载情况通知决策器；另外要监听决策器传输过来的命令，完成自身负载情况上报或者完成自身角色的切换；OpenFlow交换机是完成数据的转发功能，并在控制器过载时要参与负载均衡过程。

Description

一种基于OpenFlow的SDN网络环境下分布式控制器系统

技术领域

本发明涉及一种基于OpenFlow的SDN网络环境下分布式控制器系统，属于互联网技术领域。

背景技术

SDN(即：软件定义网络)是一种新型网络创新架构，是未来网络发展的趋势。SDN强调网络设备的控制平面和数据平面想分离，控制平面的功能汇集到网络内的一个集中式控制器。SDN控制器实现网络拓扑的收集、路由的计算、流表的生成和下发、网络的管理与控制等功能，网络层设备仅仅负责流量的转发和策略的执行。

转发与控制分离带来了控制逻辑集中，SDN控制器拥有网络的全局静态拓扑、全网的动态转发表信息、全网络的资源利用率、故障状态等，从而也开放了网络能力，通过集中的SDN控制器实现网络资源的统一管理、整合以及虚拟化后，采用规范化的北向接口为上层应用提供按需的网络资源及服务，实现网络能力开放，按需提供。

OpenFlow作为实现SDN架构的控制器与SDN Switch的南向接口协议，定义了一系列规范。SDN网络环境中单OpenFlow控制器虽然带来了控制上的便利性，但存在单点可靠性和性能问题。而本发明能够很好地解决上面的问题。

发明内容

本发明目的在于针对现在OpneFlow的SDN网络环境下单控制器的单点故障问题和性能问题，提出了一种逻辑上集中但物理上分布的分布式控制器系统，解决了单点故障和性能的问题，该系统既解决了存在的单点故障和性能问题，又保持了单控制器的便利性。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种基于OpenFlow的SDN网络环境下分布式控制器系统，该系统包括决策器模块、控制器资源池、OpenFlow控制服务器和OpenFlow交换机。

决策器模块的功能是整个系统功能的核心，该决策器模块是整个系统功能的核心，负责检测active_controller的工作情况，在其过载时将进行负载均衡决策，从资源池中调入新的控制器加入工作，并且周期性检查active_controller(即：处于工作状态的控制器)负载情况，完成控制器资源的回收。

控制器资源池的功能是收集所有的empty_controller，即：处于空闲状态的控制器合集，资源池的动态增减由决策器控制；控制器和底层的OpenFlow交换机处于正常的工作状态中。

OpenFlow控制服务器的功能是，除了完成传统OpenFlow控制器的功能外，要实时监测自身负载，过载时要将负载情况通知决策器；另外要监听决策器传输过来的命令，完成自身负载情况饿上报或者完成自身角色的切换。

OpenFlow交换机的功能是完成数据的转发功能，并且在控制器过载时要参与负载均衡过程。

本发明所述empty_controller，即：处于空闲状态的控制器与active_controller，即：处于工作状态的控制器的转换是完全由决策器控制，而OpenFlow交换机控制权的转移则由两个控制器之间按照切换流程完成。

本发明所述控制器的负载，根据控制器的内存、CPU、IO的使用情况定量计算得出，使得在后续负载均衡过程中，不会使得参与均衡过程的控制器过载。

有益效果：

1、本发明很好地解决了SDN网络单点故障和性能问题。

2、本发明保证了每个控制器都处于正常工作状态中，不会发生控制器过载。

3、本发明的控制器和底层交换机处于动态的映射，能实时进行控制器角色的切换

附图说明

图1为本发明的系统架构图。

图2为本发明OpenFlow控制服务器与OpenFlow交换机之间的切换过程示意图。

图3为本发明控制器过载时处理流程图。

图4为本发明Decision负载均衡阶段一示意图。

图5为本发明Decision负载均衡阶段二示意图。

图6为本发明Decision负载均衡阶段三示意图。

图7为本发明周期性负载均衡示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。

实施例一

本发明的MasterNode决策器(即：Decision)，该Decision与每个OpenFlow控制服务器建立双向连接(即：TCP连接)。实际连接，处于工作状态的OpenFlow交换机的Controller称为active_controller，未连接OpenFlow控制器，空闲状态的控制器处于资源池中，称为empty_controller。

每个控制器会统计自己的“内存、CPU使用率”，“进程数”、“IO量”和各下层“OpenFlow交换机占用的资源比”，并且会依据此设置三个值：切换线、正常工作线、过载线。处于“切换线”下的active_controller可以被Decision选中参与负载均衡过程。当某个active_controller超过“过载线”后，则会向Decision发送Warning_pacekt，Decision会启动一系列步骤去完成loadbalance(即：负载均衡)，在此过程中会用来Query_packet和Response_packet。最后Decision会回送Hand_off_packet。最终OpenFlow交换机在两个activecontroller之间完成切换。

本发明的Decision能够控制OpenFlow交换机，在各个active_controller之间切换完成负载均衡，当active_controller不足时，Decision在资源池中启动新的OpenFlow控制器。当active_controller资源富足时，Decision会将多余的active_controller回收进资源池中。

如图3所示，本发明的工作中的控制器称为active_controller，active_controller，根据其“内存、CPU使用率”，“进程数”、“IO量”和各下层“OpenFlow交换机占用的资源比”各项统计数据完成一个负载指标的计算(即：负载指标越大证明active_controller越繁忙)，本发明根据指标值设定三基准线：切换线、正常工作线、过载线。

当active_controller处于“切换线”以下时，active_controller可参与Decision负载均衡调度。当active_controller处于“过载线”之上时，active_controller将向Decision发出Warning_packet指出本控制器已经过载工作，并且在Warning_packet中包含有自己的内存、CPU使用率，进程数和IO量等计算值，为了避免active_controller的瞬时过载引起Decision的负载均衡调度，本发明设定一个last_time参数，在active_controller过载时间超过last_time时发出Warning_packet。

Decision收到active_controller发出的Warning_packet时，将提取其中的内存、CPU使用率，进程数和IO量等指标，并且Decision进入负载均衡阶段，在Decision负载均衡决策完成后，将向发起Warning_packet的active_controller回送Hand_off_packet。

如果在Decision的一个负载均衡的某个阶段收到了另一个active_controller的Warning_packet，只有等待前一个处理完后，才能处理下一个。

“内存、CPU使用率”，“进程数”、“IO量”和各下层“OpenFlow交换机占用的资源比”各项统计数据的意义，前三项表示某个active_controller整体资源使用状况，最后的“OpenFlow交换机占用的资源比”是用来了解各个OpenFlow交换机占用active_controller总资源比率，这样决定哪些OpenFlow交换机可以转移到新的active_controller上，且不会引起新的active_controller过载情况的发生

“过载线”的设定要满足以下一个条件，任何处于过载线的active_controller与empty_controller(未连接任何OpenFlow交换机的controller)的负载均衡是一定会成功的，既均衡后两个控制器都不会过载

结合流程图，本发明详述整个系统工作流程，包括：

如图3所示，当active_controller处于“过载线”之上时，active_controller将向Decision发出Warning_packet指出本控制器已经过载工作，并且在Warning_packet中包含有自己的内存、CPU使用率，进程数和IO量等计算值(为了避免active_controller的瞬时过载引起Decision的负载均衡调度，本发明设定一个last_time参数，在active_controller过载时间超过last_time时发出Warning_packet)

如图4所示，本发明的Decision进入负载均衡阶段一，Decision(即：决策器)收到active_controller_A发送的Warning_packet,提取其中“内存、CPU使用率”，“进程数”、“IO量”和各下层“OpenFlow交换机占用的资源比”等统计数据，然后Decision向所有(除发出此Warning_packet的active_controller之外)active_controller发出Query_packet用来请求控制器的以上数据，控制器收到Query_packet后回复Response_packet，其中包含Decision所请求的关于各个控制器的统计数据，Decision据此计算每个active_controller的负载指标，如果负载指标处于“正常工作线”以下，则将此active_controller加入loading_balance_table，否则忽略。

等待所有active_controller的Response_packet。并且进行上述判断。

所有active_controller回复处理完成后，判断loading_balance_table是否为空，若为空直接进入阶段三。否则的话，进入阶段二。

根据图5阐述决策阶段二，本发明对loading_balance_table中的每个active_controller与发出Warning_packet的过载active_controller进行各项统计数据比对，若进行计算后满足切换条件(即：切换条件是：将过载active_controller连接的某些OpenFlow交换机进行累计后归入新的active_controller统计数据后判断是否过载，并且过载active_controller减去这些累计的资源后会恢复到“过载线”下)，则向发出Warning_packet的过载Controller发送Hand_off_packet，其中包含要移除的OpenFlow交换机。

如果在loading_balance_table中的所有控制器均不满足上述的条件，则在loading_balance_table内部完成一个负载均衡的调度。生成一个新的load_balance_table，在新的load_balance_table中重复上述过程，若满足切换条件，则Decision向发出Warning_packet的过载active_ontroller发送Hand_off_packet，其中包含要移除的OpenFlow交换机。否则进入阶段三。

本发明描述一下在load_balance_table内部完成负载均衡生成新的load_balance_table，在load_balance_table内部进行某种调度，调度的最终结果是使得原本处于“切换线”之下的某些active_controller的负载指标提升到“正常工作线”和“过载线”之间，使得另外一些active_controller的负载指标更低或者处于empty_controller状态下。如果最终调度完毕出现empty_controller，那么Decision就可以发送Hand_off_packet了。否则的话，将二次调度后负载指标处于“切换线”之下的active_controller加入新的loading_balance_table，再重复一次比较过程。

结合根据图6阐述阶段三：

Decision(即：决策器)从Resource_pool中启动新的empty_controller成为active_controller,与过载的active_controller进行负载均衡。此时Decision向发出Warning_packet的过载active_ontroller发送Hand_off_packet，其中包含要移除的OpenFlow交换机。

上述所有的过程都是在某个active_controller过载时引起的负载均衡过程。但是可能某个时间段active_controller过于富足，为了将富余的控制器归还于Resource_pool(contrller由active_controller变为empty_controller)，Decision周期性的将进行以下操作实现上述功能：

现结合图7阐述如下，包括：

Decision周期性的会向所有的active_controller发送Query_packet，并且等待所有的active_controller响应response_packet。

Decision会计算每个active_controller的负载情况，将负载线处于“切换线”以下的所有active_controller加入load_balance_table，然后Decision会对load_balance_table中的所有active_controller进行均衡，实现过程与阶段二中在load_balance_table进行负载均衡的过程是一样的。

若完成后，出现empty_controller，则Decision将其归还到resource_pool中。

实施例二

具体阐述一个应用场景，在一个基于OpenFlow的SDN网络环境中，某个时段网络空闲时只有一个active_controller参与实际的工作，网络中所有的OpenFlow Switch都与此active_controller建立连接并接受其控制。另外还有多个控制器处于启动状态但不参与实际的网络控制，这些控制器称为empty_controller，这些empty_controller合集称为resource_pool。

某个时段，网络流量加大，单个active_controller受自身资源的限制很难处理所有OpenFlow交换机上传的信息。此时active_controller过载，active_controller将过载情况上报给决策器，决策器收到warning_packet后，由于此时只有一个控制器在工作，故决策器从resource_pool中抽取一个empty_controller,并将原active_controller控制的某些OpenFlow交换机转移到empty_controller下，由empty_controller控制以减小原active_controller的负载，此时empty_controller变为active_controller。这个过程是决策器向active_controller和empty_controller发送hand_off_packet实现，hand_off_packet中包含了要转移的OpenFlow交换机的地址，empty_controller与active_controller按照图2所示转移OpenFlow交换机的控制权。不断重复上述过程直到没有active_controller处于过载状态。

若在某个时段，网络流量逐渐减少，active_controller的负载逐渐减小，为了减少资源的浪费，决策器将OpenFlow交换机的控制权限集中起来，将空闲出来的active_controller重新归于resource_pool中。

Claims (6)

1.一种基于OpenFlow的SDN网络环境下分布式控制器系统，其特征在于，所述系统包括决策器模块、控制器资源池、OpenFlow控制服务器和OpenFlow交换机；

所述的决策器模块的功能：是整个系统功能的核心，负责检测active_controller，即：处于工作状态的控制器，在其过载时将进行负载均衡决策，从资源池中调入新的控制器加入工作，并且周期性检查active_controller负载情况，完成控制器资源的回收；

控制器资源池的功能：是收集所有的empty_controller，即：处于空闲状态的控制器合集，资源池的动态增减由决策器控制；

OpenFlow控制服务器的功能是：除了完成传统OpenFlow控制器的功能外，要实时监测自身负载，过载时要将负载情况通知决策器；另外要监听决策器传输过来的命令，完成自身负载情况上报或者完成自身角色的切换；

OpenFlow交换机的功能是：完成数据的转发功能，并且在控制器过载时要参与负载均衡过程。

2.根据权利要求1所述的一种基于OpenFlow的SDN网络环境下分布式控制器系统，其特征在于，所述empty_controller，即：处于空闲状态的控制器与active_controller，即：处于工作状态的控制器的转换是完全由决策器控制，而OpenFlow交换机控制权的转移则由两个控制器之间按照切换流程完成。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于OpenFlow的SDN网络环境下分布式控制器系统，其特征在于：所述控制器的负载，根据控制器的内存、CPU、IO的使用情况定量计算得出，使得在后续负载均衡过程中，不会使得参与均衡过程的控制器过载。

4.根据权利要求1所述的一种基于OpenFlow的SDN网络环境下分布式控制器系统，其特征在于：所述的MasterNode决策器，即：Decision，该Decision与每个OpenFlow控制服务器建立双向连接，即：TCP连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于OpenFlow的SDN网络环境下分布式控制器系统，其特征在于：所述的Decision能够控制OpenFlow交换机，在各个active_controller之间切换完成负载均衡，当active_controller不足时，Decision在资源池中启动新的OpenFlow控制器；当active_controller资源富足时，Decision会将多余的active_controller回收进资源池中。

6.根据权利要求1所述的一种基于OpenFlow的SDN网络环境下分布式控制器系统，其特征在于：当active_controller处于“切换线”以下时，active_controller参与Decision负载均衡调度；当active_controller处于“过载线”之上时，active_controller向Decision发出Warning_packet指出本控制器已过载工作，并且在Warning_packet中包含有自己的内存、CPU使用率，进程数和IO量计算值；设定一个last_time参数，在active_controller过载时间超过last_time时发出Warning_packet。