CN105656797A - 一种交换机迁移方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交换机迁移方法及装置，克服了基于静态分布式多控制器架构负载失衡的问题。该发明含有以下步骤：101：数据初始化和监控模块初始化；102：拍卖者把交易价格通知给所有的竞拍者；103：竞拍者通过估价模块对所有拍卖者进行估价；104：每个拍卖者计算资源需求；105：每个拍卖者通过供求状态判定模块计算自己资源的供求状态；106：如果拍卖者的资源状态为供小于求，提高单位资源的交易价格，转入102-105；107：如果每个竞拍者的收益大于零，输出结果。本发明通过增加处于供大于求状态的拍卖控制器资源的交易价格，完成交换机的迁移，解决了现有的交换机迁移效率低且控制器负载失衡的问题。

Description

一种交换机迁移方法及装置

技术领域

该发明涉及一种计算机网络领域的数据处理方法，特别是涉及一种交换机迁移方法及装置。

背景技术

随着信息社会的不断发展，网络规模的急剧膨胀、移动终端数量的增加和应用类型的不断丰富正不断冲击着传统互联网。传统基础网络体系架构在新业务适配、管理复杂，运维昂贵等方面的问题越发明显。传统网络的弊端在于控制层和数据层耦合在同一个硬件设备上，网络管控功能复杂且更新困难，无法适应新型业务的发展需求和网络的飞速发展。新型网络体系结构，如智慧协同网络，可重构网络，软件定义网络，为解决传统网络的僵化问题提供了新的方案。

其中，软件定义网络由于其易管理、可编程的特点，受到了广泛关注。软件定义网络分离了转发层与控制层，将原本束缚在路由器之内的智能环节抽离到上层。使网络具备了协议标准开放、管理集中灵活和直接可编程等特点。目前，多控制器架构下的软件定义网路，克服了传统软件定义网络的性能局限和单点失效，被国内外学者所广泛接受。然而在静态分布式控制器架构中，控制器和交换机的映射是静态关系，不能动态适应流量的变化。如果控制器和交换机的映射是静态的，当交换机的流请求突然增大时，该域的控制器就会发生超载，而其他的控制器的资源却没有充分利用，造成控制器资源的浪费，因此，静态分布式控制架构不能发挥最优的性能。而在流量预期峰值的时候添加控制器的代价太大，不能适应实际网络的需求。因此，业界提出了动态分布式控制器架构，通过动态迁移交换机，使负载在控制器之间动态转移，达到控制器负载均衡的目的。

近年来，国内外学者对交换机迁移的研究越来越多，如弹性的分布式控制器架构ElastiCon。该架构为控制器设定一个指定的负载域，当控制器负载失衡时，通过动态迁移负载过重控制器下的交换机到负载较轻控制器下，使负载在控制器之间移动。然而，关于弹性分布式控制器的研究还存在以下问题：作为核心部件，负载适应决策模块采用基于窗口的双门限方法，即在决策窗口内，当负载超过上、下门限时，采取增添、删除控制器或者迁移交换机的动作。虽然方法简单，但是该方法过于粗放，难以实现对负载精细控制。其次，ElastiCon提出在交换机迁移阶段，交换机迁移到邻近的控制器，虽然减少了网络时延，但是无法达到精细的负载均衡。另外，ElastiCon没有明确怎样选择增添和删除的控制器数量以及位置。

发明人在研究过程中发现，可以利用经济学中的拍卖机制，把负载较轻控制器模拟成拍卖者，拍卖自己的剩余资源；把被迁移的交换机模拟成竞拍者，通过竞价来获得控制器的资源。处于供不应求状态的拍卖者从底价逐步提高自己的资源价格，每个竞拍者决定是否购买资源以及购买哪个拍卖者的资源，最终拍卖过程收敛到均衡点，进行交换机的迁移。基于此，发明了一种基于改进型拍卖的交换机迁移方法及装置。

发明内容

本发明克服了现有技术中，基于静态分布式多控制器架构负载失衡的问题，提供一种处理效果较好并且满足大型网络的交换机迁移方法及装置。

本发明的技术解决方案是，提供一种具有以下步骤的交换机迁移方法及装置：含有以下步骤：

步骤101：数据初始化和监控模块初始化，令拍卖者的单位资源交易价格等于每单位资源的消耗；

步骤102：拍卖者把交易价格通知给所有的竞拍者；

步骤103：竞拍者通过估价模块对所有拍卖者进行估价，找出使自己收益最大的控制器，并通知给该控制器；

步骤104：每个拍卖者计算资源需求，为可使用资源量与已使用资源量的差值；

步骤105：每个拍卖者通过供求状态判定模块计算自己资源的供求状态；

步骤106：如果拍卖者的资源状态为供小于求，提高单位资源的交易价格，转入步骤102-105；

步骤107：如果每个竞拍者的收益大于零，输出结果，利用交换机迁移模块完成交换机迁移。

一种包含以上所述交换机迁移方法的交换机迁移装置，包括数据初始化和监控模块、交易价格模块、估价模块、供求状态判定模块、收益决策模块和交换机迁移模块，数据初始化和监控模块、交易价格模块、估价模块、供求状态判定模块、收益决策模块和交换机迁移模块依次按步骤逻辑连接。其包含以下工作步骤：

步骤201：通过该数据初始化和监控模块监视控制器负载的情况，当控制器过载时，确定拍卖控制器和竞拍交换机。

步骤202：交易价格模块初始化拍卖者的初始交易价格，并根据供求状态判定模块反馈的信息，并对交易价格进行更改。

步骤203：估价模块通过待迁移的交换机即竞拍者对拍卖者的资源进行估价。

步骤204：供求状态判定模块实现拍卖者计算自己资源的供求状态，并把状态反馈给交易价格确定模块。

步骤205：收益决策模块计算竞拍者和拍卖者的收益状态，并把收益状态反馈给迁移模块。

步骤206：交换机迁移模块根据竞拍者和拍卖者的收益状态对交换机进行迁移，完成控制器和交换机的部署。

所述估价模块中对控制器c_i设定一个资源使用阈值比例u_i，当时，称控制器c_i过载，需要对其管控的交换机进行迁移；当时，控制器负载较轻，可以增加交换机；定义交换机s_j和控制器c_i之间的跳数d_ij，表示交换机s_j和控制器c_i之间的距离，则定义交换机s_j对控制器c_i的估价函数 $v_{\mathrm{ij}}=f(r_{\mathrm{ij}},u_i^s,d_{\mathrm{ij}}),$ 表示与r_ij和成正比，与成反比；则定义 $v_{\mathrm{ij}}=r_{\mathrm{ij}}\·\frac{u_i^s}{d_{\mathrm{ij}}(1-u_i^s)},$ 定义交换机估价矩阵如下： $V=\left(\begin{array}{c}{v}_1\\ v_2\\ ...\\ v_n\end{array}\right),$ 其中 $v_i=(v_i^1,v_i^2,...v_i^m).$

所述收益决策模块中交换机s_j迁移到控制器c_i时，控制器c_i对交换机s_j进行管理，定义控制器每单位资源消耗a_i，定义交换机s_j迁移到控制器c_i的过程中网络消耗的代价为p_ij，表示各控制器在交换机迁移的过程中付出的通信开销；定义网络效用u_ij＝v_ij-a_i·r_ij-p_ij，表示交换机s_j连接到控制器c_i的过程中，网络获得的效用；在拍卖过程中，控制器c_i的收益是拍卖资源所得的收益减去迁移交换机付出的代价，即：u_i＝∑f_ij·(p_i·r_ij-a_i·r_ij)，交换机s_j的收益等于交换机s_j对控制器c_i的估价减去付给控制器c_i的价格，即：φ_j＝∑f_ij·(v_ij-p_i·r_ij)。

与现有技术相比，本发明交换机迁移方法及装置具有以下优点：在该发明机制内，负载较轻控制器是拍卖者，拍卖自己的剩余资源，被迁移的交换机是竞拍者，竞拍控制器的剩余资源获得服务。通过增加处于供大于求状态的拍卖控制器资源的交易价格，完成交换机的迁移，解决了现有的交换机迁移效率低且控制器负载失衡的问题。

附图说明

图1是本发明交换机迁移方法及装置中方法的步骤流程示意图；

图2是本发明交换机迁移方法及装置中装置的结构示意图；

图3是本发明交换机迁移方法及装置的实施例结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明交换机迁移方法及装置作进一步说明：为方便叙述，首先对本文出现的技术名词和相关定义做以说明：

控制平面网络：即控制节点和数据平面组成的网络。

估价函数：拍卖这一概念源自西方，它是通过一系列明确的规则和买者竞价所决定的价格，并以价格来配置资源的一种市场机制；即在确定的时间和地点,通过一定的组织机构，以公开竞价的形式，将特定物品或者财产权利转让给最高(或者最低)应价者的买卖方式。在交换机迁移过程中，负载较轻控制器是拍卖者，拍卖自己的剩余资源；被迁移的交换机是竞拍者，通过竞价来获得控制器的资源。在每次拍卖中，交换机通过竞拍控制器的资源来获得更好的服务，比如更快的得到控制器下发的流表。交换机对控制器的估价与控制器剩余的资源量和到控制器的距离有关，控制器的剩余的资源越多，则交换机排队等候服务的概率越小。交换机与控制器的距离越大，则交换机与控制器之间的时延越大。因此交换机对控制器的估价与请求的资源量和控制器的剩余资源成正比，与交换机和控制器的距离成反比。

网络效用：控制器对交换机进行管理时需消耗资源，表示为各控制器在交换机迁移的过程中付出的通信开销。被迁移交换机获得的效用，即交换机对控制器的估价。由于交换机对控制器资源的支付和控制器获得交换机的支付相互抵消，所以整个网络的效用为交换机所获得的效用减去控制器的消耗和迁移代价，因此网络效用可以表示为所有交换机连接到控制器的过程中，网络获得的效用。

拍卖者资源状态：对拍卖控制器而言，首先计算出控制器的资源需求量，供不应求状态即竞拍交换机所需的资源之和大于控制器的剩余资源量。相反，供大于求状态即交换机所需的资源之和小于控制器的剩余资源量。

策略空间：竞拍者即交换机的策略是想购买哪个控制器的资源和对该控制器需求的资源大小。当拍卖者处于供大于求状态时，一个简单的控制器选择策略是随机从希望购买它的资源的交换机之中选择几个，但这样的策略太过于粗放，并且也不能使控制器c_i获得最大的利益。因此，首先定义拍卖者的单位资源量的交易价格，并把这个价格广播给所有的竞拍交换机。所以，拍卖者的策略为交易价格和资源状态。

收益函数：在拍卖过程中，控制器的收益是拍卖资源所得的收益减去迁移交换机付出的代价。交换机的收益等于交换机对控制器的估价减去付给控制器的价格。

如图1所示，本实施例中提供一种基于改进型拍卖的交换机迁移机制，即一种交换机迁移方法，所述方法如下：首先每个拍卖者对自己的资源开始叫价，竞拍者根据自己的效益函数与支付函数对拍卖品进行估价，然后对拍卖品进行出价。拍卖者根据自己资源的供求状态决定是否加价，直到每个拍卖者卖出自己的拍卖品，拍卖过程结束。

具体实现过程如图3所示，假设网络中有M个控制器和N个交换机，假设在时刻t有M⁺个控制器过载，总共需要迁移N⁺个交换机，有M^-个控制器负载较轻。

为完成交换机迁移，需要一种交换机迁移方法，具体步骤如图1所示，下面具体说明：

步骤101：初始化。令拍卖者的单位资源交易价格等于每单位资源的消耗。

步骤102：拍卖者把交易价格通知给所有的竞拍者。

步骤103：竞拍者对所有拍卖者进行估价，找出使自己收益最大的控制器，并通知给该控制器。

步骤104：每个拍卖者计算资源需求。

步骤105：每个拍卖者计算自己资源的供求状态。

步骤106：如果拍卖者的资源状态为供小于求，提高单位资源的交易价格，转入步骤102-105。

步骤107：如果每个竞拍者的收益大于零，输出结果，完成交换机迁移。

需要说明的是，在101步骤中，拍卖者可以设定自己的初始交易价格高于单位资源消耗，因为在最后一轮拍卖中，只要初始设定的价格小于最后的交易价格，则对交换机的迁移结果没有影响。当拍卖者剩余的资源量较大时，为了提高自身的资源利用率，控制器可以增加更多的交换机。相反，当控制器剩余资源量较小的时候，为了保证自身不超载，控制器会增加较少的交换机的数量。因此，为了减少拍卖所需的时间，控制器初始每单位交易价格可以表示为与每单位资源消耗成正比，与控制器剩余资源量成反比，但需大于每单位资源的消耗。

相应的，本发明还提供了一种针对增强控制平面连通效能的控制器布置装置，即交换机迁移装置，其结构如图2所示。

该装置包括：数据初始化和监控模块、交易价格模块、估价模块、供求状态判定模块、收益决策模块和交换机迁移模块。

数据初始化和监控模块：通过该模块监视控制器负载的情况，当控制器过载时，确定拍卖控制器和竞拍交换机。

交易价格模块：初始化拍卖者的初始交易价格，并根据供求状态判定模块反馈的信息对交易价格进行更改。

估价模块：待迁移的交换机即竞拍者对拍卖者的资源进行估价。

供求状态判定模块：拍卖者计算自己资源的供求状态，并把状态反馈给交易价格确定模块。

收益决策模块：该模块计算竞拍者和拍卖者的收益状态，并把收益状态反馈给迁移模块。

交换机迁移模块：该模块根据竞拍者和拍卖者的收益状态对交换机进行迁移，完成控制器和交换机的部署。

估价模块：对控制器c_i设定一个资源使用阈值比例u_i，当时，称控制器c_i过载，需要对其管控的交换机进行迁移。当时，控制器负载较轻，可以增加交换机，提高自己的资源利用率。假设控制器c_i的容量为C_i·Δ，在时刻t正在利用的资源为交换机s_j在时刻t向控制器c_i的流请求数为(请求的资源量)为r_ij(t)·Δ。从简洁性考虑，省略变量符号t和Δ。

交换机对控制器的估价与控制器剩余的资源量和到控制器的距离有关，控制器的剩余的资源越多，则交换机排队等候服务的概率越小。交换机与控制器的距离越大，则交换机与控制器之间的时延越大。定义交换机s_j和控制器c_i之间的跳数d_ij，表示交换机s_j和控制器c_i之间的距离。因此定义交换机s_j对控制器c_i的估价函数表示与r_ij和成正比，与成反比。定义

$v_{\mathrm{ij}}=r_{\mathrm{ij}}\·\frac{u_i^s}{d_{\mathrm{ij}}(1-u_i^s)}$

类似地，定义交换机估价矩阵如下：

$V=\left(\begin{array}{c}{v}_1\\ v_2\\ ...\\ v_n\end{array}\right)$

其中需要指出的是，交换机的估价是私有信息，即交换机不知道其他交换机的估价信息。

收益决策模块：当交换机s_j迁移到控制器c_i时，控制器c_i对交换机s_j进行管理，定义控制器每单位资源消耗a_i，定义交换机s_j迁移到控制器c_i的过程中网络消耗的代价为p_ij，表示各控制器在交换机迁移的过程中付出的通信开销。定义网络效用u_ij＝v_ij-a_i·r_ij-p_ij，表示交换机s_j连接到控制器c_i的过程中，网络获得的效用。

在拍卖过程中，控制器c_i的收益是拍卖资源所得的收益减去迁移交换机付出的代价，即：

u_i＝∑f_ij·(p_i·r_ij-a_i·r_ij)

交换机s_j的收益等于交换机s_j对控制器c_i的估价减去付给控制器c_i的价格，即：

φ_j＝Σf_ij·(v_ij-p_i·r_ij)

下面对该交换机迁移装置的工作流程进行说明，包含以下工作步骤：

步骤201：通过该数据初始化和监控模块监视控制器负载的情况，当控制器过载时，确定拍卖控制器和竞拍交换机。

步骤202：交易价格模块初始化拍卖者的初始交易价格，并根据供求状态判定模块反馈的信息，并对交易价格进行更改。

步骤203：估价模块通过待迁移的交换机即竞拍者对拍卖者的资源进行估价。

步骤204：供求状态判定模块实现拍卖者计算自己资源的供求状态，并把状态反馈给交易价格确定模块。

步骤205：收益决策模块计算竞拍者和拍卖者的收益状态，并把收益状态反馈给迁移模块。

步骤206：交换机迁移模块根据竞拍者和拍卖者的收益状态对交换机进行迁移，完成控制器和交换机的部署。

Claims (5)

1.一种交换机迁移方法，其特征在于：含有以下步骤：

步骤101：数据初始化和监控模块初始化，令拍卖者的单位资源交易价格等于每单位资源的消耗；

步骤102：拍卖者把交易价格通知给所有的竞拍者；

步骤103：竞拍者通过估价模块对所有拍卖者进行估价，找出使自己收益最大的控制器，并通知给该控制器；

步骤104：每个拍卖者计算资源需求，为可使用资源量与已使用资源量的差值；

步骤105：每个拍卖者通过供求状态判定模块计算自己资源的供求状态；

步骤106：如果拍卖者的资源状态为供小于求，提高单位资源的交易价格，转入步骤102-105；

步骤107：如果每个竞拍者的收益大于零，输出结果，利用交换机迁移模块完成交换机迁移。

2.一种包含根据权利要求1所述交换机迁移方法的交换机迁移装置，其特征在于：包括数据初始化和监控模块、交易价格模块、估价模块、供求状态判定模块、收益决策模块和交换机迁移模块，数据初始化和监控模块、交易价格模块、估价模块、供求状态判定模块、收益决策模块和交换机迁移模块依次按步骤逻辑连接。

3.根据权利要求2所述的交换机迁移装置，其特征在于：包含以下工作步骤：

步骤201：通过该数据初始化和监控模块监视控制器负载的情况，当控制器过载时，确定拍卖控制器和竞拍交换机；

步骤202：交易价格模块初始化拍卖者的初始交易价格，并根据供求状态判定模块反馈的信息，并对交易价格进行更改；

步骤203：估价模块通过待迁移的交换机即竞拍者对拍卖者的资源进行估价；

步骤204：供求状态判定模块实现拍卖者计算自己资源的供求状态，并把状态反馈给交易价格确定模块；

步骤205：收益决策模块计算竞拍者和拍卖者的收益状态，并把收益状态反馈给迁移模块；

步骤206：交换机迁移模块根据竞拍者和拍卖者的收益状态对交换机进行迁移，完成控制器和交换机的部署。

4.根据权利要求2所述的交换机迁移装置，其特征在于：所述估价模块中对控制器c_i设定一个资源使用阈值比例u_i，当时，称控制器c_i过载，需要对其管控的交换机进行迁移；当时，控制器负载较轻，可以增加交换机；定义交换机s_j和控制器c_i之间的跳数d_ij，表示交换机s_j和控制器c_i之间的距离，则定义交换机s_j对控制器c_i的估价函数表示与r_ij和成正比，与成反比；则定义定义交换机估价矩阵如下： $V=\left(\begin{array}{c}{v}_1\\ v_2\\ ...\\ v_n\end{array}\right),$ 其中 $v_i=(v_i^1,v_i^2,...v_i^m).$

5.根据权利要求2所述的交换机迁移装置，其特征在于：所述收益决策模块中交换机s_j迁移到控制器c_i时，控制器c_i对交换机s_j进行管理，定义控制器每单位资源消耗a_i，定义交换机s_j迁移到控制器c_i的过程中网络消耗的代价为p_ij，表示各控制器在交换机迁移的过程中付出的通信开销；定义网络效用u_ij＝v_ij-a_i·r_ij-p_ij，表示交换机s_j连接到控制器c_i的过程中，网络获得的效用；在拍卖过程中，控制器c_i的收益是拍卖资源所得的收益减去迁移交换机付出的代价，即：u_i＝∑f_ij·(p_i·r_ij-a_i·r_ij)，交换机s_j的收益等于交换机s_j对控制器c_i的估价减去付给控制器c_i的价格，即：φ_j＝∑f_ij·(v_ij-p_i·r_ij)。