CN105376297B - Sdn控制器数量调整以及与交换机映射的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种SDN控制器数量调整以及与交换机映射的方法：在SDN中，通过设计有状态的数据平面，实现本地化的局部控制器，进而构建层次化分布式控制器网络。基于启发式算法思想，本发明的局部控制器在数量上能够自适应于业务流量的时空分布，并且在满足交换机需求的前提下，局部控制器被占用的数量最少。同时，借助复杂网络社团理论构建一个包含局部控制器的社团，局部控制器是该社团中重要度最高的那些节点。这些局部控制器成为该社团中交换机映射的首要选择，从而实现高效映射的同时也可实现局部控制器之间的负载均衡。最后，本发明设计的局部控制器在位置上更加靠近交换机，可以更实时地、更准确地响应所属区域交换机的请求。

Description

SDN控制器数量调整以及与交换机映射的方法
技术领域
本发明涉及一种SDN控制器数量调整以及与交换机映射的方法。
背景技术
当前，设计全新未来互联网架构逐渐成为了研究者们的共识,其中,软件定义网络(Software-Defined Networking，简称SDN)分离了网络的控制平面和数据平面，使得网络具有开放性和可编程性。所以，SDN是未来互联网发展的重要方向之一。
控制器是控制平面的核心组件，通过控制器，用户可以逻辑上集中控制交换机，实现数据的快速转发，便捷安全地管理网络，提升网络的整体性能。然而，目前控制器的研究依然存在以下问题：
SDN面向大规模网络部署时，控制器在扩展性、鲁棒性上无法满足要求。SDN控制器以流为控制颗粒，以减轻控制器的负荷。然而，研究已表明集中式控制器会成为SDN面向大规模网络时的性能瓶颈。
发明内容
本发明旨在解决SDN架构下，如何利用有状态数据平面实现分布式控制平面，为实现上述目的本发明的具体方案如下：
一种SDN控制器数量调整以及与交换机映射的方法：
通过设计有状态的数据平面，实现本地化的局部控制器，构建层次化分布式控制器网络，使局部控制器放置的数量能够自适应于业务流量的时空分布，并且在满足交换机需求的前提下，局部控制器被占用的数量最少；
基于复杂网理论，网络中的局部控制器和交换机构成一个加权复杂网络，其中，一个局部控制器与一些交换机构成一个社团，局部控制器是该社团中重要度最高的节点；同时，局部控制器放置的位置更加靠近交换机，以更实时地、更准确地响应所属区域的交换机的请求。
优选的，所述有状态的数据平面保留一部分控制逻辑，针对一些局部性任务，其自己做转发决定；
利用启发式算法思想调节控制器放置数量，以使得所提方案能够自适应于网络业务流量的时空分布；
在一个包含局部控制器的社团中，局部控制器、交换机是其中的节点，节点之间的流量行为是节点之间的边，局部控制器是该社团中重要度最高的节点，交换机能够就近地选择映射到这些局部控制器的同时，也可以实现局部控制器之间的负载均衡。
优选的，利用NFV技术，在逻辑上从交换机上划分出局部控制器池、数据挖据池、编码器池的网络功能虚拟模块，形成资源池；
基于服务链(Service chain)的思想，交换机按需调用所述资源池中的网络功能虚拟模块，这些功能块的需求与供应在数据面实现动态自适应匹配。
优选的，交换机按需调用局部控制器池中的控制器模块，以完成转发决策；
网络编码按需调用编码器池中的编码器模块，以完成网络编码、解码；
路由机制按需调用数据挖掘池中的数据挖掘模块，以发现路径传输性能的模式。
优选的，在所述资源池内部，基于ICN思想，为各功能块命名，在模块间实现基于名字的路由。
优选的，局部控制器数量调整包括以下步骤：
4)局部控制器数量设置为最大值，即Local_C＝初始值，Threshold＝初始值；
5)每经过一个周期T，局部控制器数量Local_C成指数级减小；
6)当局部控制器数量到达门限值，即Local_C＝Threshold，门限值设为控制器过载时Local_C的倍，每经过一个周期T，局部控制器数量Local_C成线性减少；
当局部控制器负荷发生过载时，局部控制器数量回到Local_C_record序列的最大值，即，Local_C＝Max(Local_C_record)，又重新开始新的循环。
优选的，Local_C_record是在控制器发生过载时，由此时的控制器供应数量组成的序列。
优选的，Local_C的初始值，门限值Threshold的初始值，周期T，以及调节因子根据历史数据进行设定与调节。
优选的，交换机与局部控制器之间的映射方法包括以下步骤：
6)在AS中，利用基于最小割的谱聚类的社团发现算法，实现无重叠、无环的社团划分；
7)将一个局部控制器加入其中的一个社团；
8)基于网络邻接矩阵的特征谱量化同一社团内节点介数；
9)为新加局部控制器添加边，并选择性地删除已有边，使得原有社团裂变为m+1个，m是原有社团的数量；
10)如果各社团中控制器的负载低于门限值v，那么停止向社团中加入控制器，即退出算法，否则继续2)～4)步。
优选的，步骤4)中，在保持社团特性的同时，确保新加控制器和现有控制器都各自成为一个社团中介数最高的节点。
本发明提供的SDN控制器数量调整以及与交换机映射的方法通过设计本地化的局部控制器，以使其在数量上能够自适应于交换机的需求变化，并实现控制器之间的负载均衡；同时，在位置上能够就近地响应交换机，以实现流建立时间及控制器开销同时得到优化；合理地划分交换机的任务，如局部性任务或者全局性任务，以实现基于局部控制器构建层次化分布式控制器。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为本发明实施例原理示意图；
图2为本发明实施例局部控制器数量调整方法示意图；
图3为本发明实施例加权复杂网络社团示例；
图4为本发明实施例局部控制器调整数量与网络需求数量的关系；
图5为本发明实施例实现局部控制器之间负载均衡。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例
一种SDN控制器数量调整以及与交换机映射的方法，通过设计有状态的数据平面，实现控制器的本地化(局部控制器)，构建层次化分布式控制器网络，使局部控制器放置的数量能够自适应于业务流量的时空分布，并且在满足交换机需求的前提下，局部控制器被占用的数量最少。基于复杂网络理论，网络中的局部控制器和交换机构成一个加权复杂网络，其中，一个局部控制器与一些交换机构成一个社团，局部控制器是该社团中重要度最高的节点。同时，局部控制器放置的位置更加靠近交换机，局部控制器更加靠近交换机，可以更实时地、更准确地响应所属区域交换机的请求。其中，所谓有状态的数据平面，即，数据平面保留一部分控制逻辑，而不是一个完全的哑终端。那么，针对一些局部性任务，数据平面自己可以做决定，这样可以减轻控制器负载，并减少交换机与控制器之间的通信开销以及往返时延。
设计有状态的数据平面和局部控制器，实现交换机与控制器动态连接，最终形成动态的分布式控制平面，以提高其实时性与故障恢复能力。这是SDN在走向大规模的实际网络时，对其扩展性、鲁棒性提出的必然要求。
本发明利用NFV(Network Function Virtualization)设计有状态的数据平面来实现分布式控制平面，利用启发式算法思想调节控制器数量以及放置，以使得所提方案能够自适应于网络业务流量的时空分布，适应于大规模SDN网络；基于复杂网络社团理论构建一个包含局部控制器的社团，局部控制器是该社团中重要度最高的节点，交换机能够就近地选择映射到这些局部控制器的同时，也可以实现局部控制器之间的负载均衡。
本发明的研究是在ICN(Information-Centric Networking)与SDN融合架构下，网络中的交换机的主要完成以下功能：转发、缓存、网络状态感知。其中，局部性任务接受局部控制器的控制，而全局性任务通过局部控制器接受全局控制器的控制。
如图1所示，利用NFV(Network Function Virtualization)技术，在逻辑上从交换机上划分出局部控制器、数据挖据、网络编码器等网络功能虚拟模块，形成基于NFV的弹性资源池。基于服务链(Service chain)的思想，交换机可按需调用资源池中的模块，这些网络功能块(NF)的需求与供应在数据面实现动态自适应匹配。如，交换机按需调用局部控制池中的控制器模块，以完成转发决策；“网络编码”按需调用编码器池中的编码器模块，以完成网络编码、解码；“路由机制”按需调用数据挖掘池中的数据挖掘模块，以发现路径传输性能的模式。在资源池内部，基于ICN(Information-Centric Networking)以信息为中心的思想，为各功能块命名，在模块间实现基于名字的路由。本发明利用NFV实现多源传输机制所需的网络编码、数据挖掘等功能块，局部控制器也被抽象成功能块。
如果局部控制器的数量能够自适应于业务流量的时空分布，并且，在满足交换机需求的前提下，局部控制器被占用的数量越少，那么，控制器资源就能够得到最充分地利用。
如图2所示，为满足上述要求，我们设计称为快开始/过载避免的局部控制器数量调整方法：
1)局部控制器数量设置为最大值，即Local_C＝初始值，Threshold＝初始值。
2)每经过一个周期T，局部控制器数量Local_C成指数级减小。
3)当局部控制器数量到达门限值，即，Local_C＝Threshold。那么，每经过一个周期T，局部控制器数量Local_C成线性减少。
4)当局部控制器负荷发生过载时，局部控制器数量回到Local_C_record序列的最大值，即，Local_C＝Max(Local_C_record)，又重新开始新的循环。门限值Threshold设为控制器过载时Local_C的倍。
其中，a用于控制线性减少的速度；b用于控制指数减少的速度，1>b>0.5；>1；Local_C_record是在控制器发生过载时，由此时的控制器供应数量组成的序列。Local_C和Threshold的初始值可根据过去历史的Local_C_record序列进行设定与调节，例如，Local_C的初始值设为它的最大值，Threshold的初始值设为它的平均值。
根据复杂网络社团理论，在社团内部，节点之间通信频繁。同时，各个节点在同一社团中的重要度(如，度(Degree)、介数(Betweenness)等)并不一样。社团重要度大的节点不仅更加容易被社团内的节点访问，而且也更加容易通过它访问社团外部的节点，它们实际上是进出社团的关键节点。
在SDN网络中，任务可以分为两种类型：局部性和全局性。局部性任务可由单个局部控制器用local algorithm完成。而全局性任务需要多个局部控制器之间的合作才能完成，在局部控制器之间存在着通信。因此，局部控制器之间以及与其通信的交换机一起组成了一个加权复杂网络，控制器、交换机是其中的节点，节点之间的流量行为抽象成它们之间的边。因为各条边的流量不一样，那么各条边的权值不一样，所以该网络是一个加权复杂网络。其中，权重wij是节点i和节点j之间的权重，Tij是节点i和节点j之间的流量。
所以，利用复杂网络社团理论为局部控制器划分一个管辖区域，即，构建一个社团，局部控制器是该社团中重要度(例如，介数)最高的那些节点。这样，交换机在选择映射到这些局部控制器时，可以避免“舍近求远”，也可以实现局部控制器之间的负载均衡。从逻辑上来说，这相当于全局控制器在进行全局优化。基于启发式算法的思想，实现上述思路的大致步骤如下：
1)在AS(自治域，Autonomous System，简称AS)中，利用基于最小割的谱聚类的社团发现算法，实现无重叠、无环的社团划分。
2)将一个局部控制器加入其中的一个社团；
3)基于网络邻接矩阵的特征谱量化同一社团内节点介数(Betweenness)；
4)为新加局部控制器添加边，并选择性地删除已有边，使得原有社团裂变为m+1个(m是原有社团的数量)。在保持社团特性的同时(计算模块度Q值，要求Q>0.5)，确保新加控制器和现有控制器都各自成为一个社团中介数最高的节点；
5)如果各社团中控制器的负载低于门限值v，那么停止向社团中加入控制器，即退出算法，否则继续2)-4)步。
例如，如图3所示，如果在不考虑权重的情况下，整个拓扑可以化为一个社团。但在考虑了网络流量行为后，由于边的权重不同，从而形成了两个较明显的社团，每个社团是一个区域，v1，v2分别是两个社团中的控制器，粗线段是权重为3的连接，细线段为权重为1的连接。
如图4所示，实验结果显示，局部控制器调整数量与网络需求数量的变化保持了较好的一致性，两者的相关系数超过了0.8。即，本发明在局部控制器在数量上能够较好地自适应于业务流量的时空分布，较好地根据网络对局部控制器数量的需求变化作出及时地、准确地调整。
如图5所示，实验结果显示，本发明可实现局部控制器之间的负载均衡。与K-center(B.Heller,R.Sherwood,and N.McKeown,The controller placementproblem,inProc.HotSDN,2012,pp.7-12.)机制相比，本发明在实现对整个网络的管理时，最忙控制器的负载没有超过7.5Mbps，而K-center在管理70％规模的网络时，最忙控制器的负载就超过了8.6Mbps。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种SDN控制器数量调整以及与交换机映射的方法，其特征在于：
通过设计有状态的数据平面，实现本地化的局部控制器，构建层次化分布式控制器网络，使局部控制器放置的数量能够自适应于业务流量的时空分布，并且在满足交换机需求的前提下，局部控制器被占用的数量最少；
基于复杂网理论，网络中的局部控制器和交换机构成一个加权复杂网络，其中，一个局部控制器与一些交换机构成一个社团，局部控制器是该社团中重要度最高的节点；同时，局部控制器放置的位置更加靠近交换机，以更实时地、更准确地响应所属区域的交换机的请求；
所述有状态的数据平面保留一部分控制逻辑，针对一些局部性任务，其自己做转发决定；
利用启发式算法思想调节控制器放置数量，以使得所提方案能够自适应于网络业务流量的时空分布；
在一个包含局部控制器的社团中，局部控制器、交换机是其中的节点，节点之间的流量行为是节点之间的边，局部控制器是该社团中重要度最高的节点，交换机能够就近地选择映射到这些局部控制器的同时，也可以实现局部控制器之间的负载均衡；
利用NFV(Network Function Virtualization)技术，在逻辑上从交换机上划分出局部控制器池、数据挖掘池、编码器池的网络功能虚拟模块，形成资源池；
基于服务链(Service chain)的思想，交换机按需调用所述资源池中的网络功能虚拟模块，这些功能块的需求与供应在数据面实现动态自适应匹配。
2.如权利要求1所述的SDN控制器数量调整以及与交换机映射的方法，其特征在于：
交换机按需调用局部控制器池中的控制器模块，以完成转发决策；
网络编码按需调用编码器池中的编码器模块，以完成网络编码、解码；
路由机制按需调用数据挖掘池中的数据挖掘模块，以发现路径传输性能的模式。
3.如权利要求2所述的SDN控制器数量调整以及与交换机映射的方法，其特征在于：
在所述资源池内部，基于ICN(Information-Centric Networking)思想，为各功能块命名，在模块间实现基于名字的路由。
4.如权利要求3所述的SDN控制器数量调整以及与交换机映射的方法，其特征在于局部控制器数量调整包括以下步骤：
1)局部控制器数量设置为最大值，即Local_C＝初始值，Threshold＝初始值；
2)每经过一个周期T，局部控制器数量Local_C成指数级减小；
3)当局部控制器数量到达门限值，即Local_C＝Threshold，门限值设为控制器过载时Local_C的倍，每经过一个周期T，局部控制器数量Local_C成线性减少；
当局部控制器负荷发生过载时，局部控制器数量回到Local_C_record序列的最大值，即，Local_C＝Max(Local_C_record)，又重新开始新的循环。
5.如权利要求4所述的SDN控制器数量调整以及与交换机映射的方法，其特征在于：
Local_C_record是在控制器发生过载时，由此时的控制器供应数量组成的序列。
6.如权利要求5所述的SDN控制器数量调整以及与交换机映射的方法，其特征在于：
Local_C的初始值，门限值Threshold的初始值，周期T，以及调节因子根据历史数据进行设定与调节。
7.如权利要求1所述的SDN控制器数量调整以及与交换机映射的方法，其特征在于交换机与局部控制器之间的映射方法包括以下步骤：
1)在AS(自治域)中，利用基于最小割的谱聚类的社团发现算法，实现无重叠、无环的社团划分；
2)将一个局部控制器加入其中的一个社团；
3)基于网络邻接矩阵的特征谱量化同一社团内节点介数；
4)为新加局部控制器添加边，并选择性地删除已有边，使得原有社团裂变为m+1个，m是原有社团的数量；
5)如果各社团中控制器的负载低于门限值v，那么停止向社团中加入控制器，即退出算法，否则继续2)～4)步。
8.如权利要求7所述的SDN控制器数量调整以及与交换机映射的方法，其特征在于：
步骤4)中，在保持社团特性的同时，确保新加控制器和现有控制器都各自成为一个社团中介数最高的节点。
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