CN106331018A - 基于负载均衡的sdn网络主机发现方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于负载均衡的SDN网络主机发现方法及系统，所述发现方法包括：1）控制器获取全网交换机的拓扑信息；2）控制器基于全网交换机的拓扑信息和建树策略来生成交换机级别的广播树，并根据所生成的广播树来对各个交换机进行相关流表的配置和下发；3）交换机实时获悉控制器当前的工作负载状况并应对来自源主机的ARP请求，若控制器负载轻时，主机发现任务完全由控制器承担；若控制器负载重时，由各个交换机来负责主机发现任务，使控制器相对有更多的能力来负责SDN网络中其它管理控制工作。本发明采用两种方式应对来自源主机的ARP请求，两种方式之间进行有效互补，从而使网络能够根据控制器工作负载的实际情况实现灵活高效的主机发现。

Description

基于负载均衡的SDN网络主机发现方法及系统

技术领域

本发明属于网络广播技术领域，特别是涉及一种基于负载均衡的SDN网络主机发现方法及系统。

背景技术

随着虚拟化技术、大数据和云计算的发展，无论是在IT、工业4.0、城市管理，还是在经济、娱乐、教育等领域，都要求数据中心的大二层网络具备容纳千万级乃至亿万级数量主机的能力。因此，如何对大量主机实现良好管理，尤其是如何快速有效地实现对目的主机的查找与发现，将具有很高的难度。因此，一种灵活高效的主机发现方法及系统此时将非常重要。

然而，目前很多已有的一些技术(例如G.Singh and A.J.Bernstein,“A Highly AsynchronousMinimum Spanning Tree Protocol,”Distributed Computing,8(3),pp.151-161,1995；R.N.Mysoreet al.,“Portland:a scalable fault-tolerant layer 2data center network fabric,”SIGCOMM pp.39–50,2009；H.Wang,“TRILL-based Large Layer 2Network Solution,”White Paper,2012)不适合在上述大二层网络执行对主机进行有效发现的任务。主要原因是由于它们的收敛速度和转发效率较低，以及其泛洪的广播方式极容易导致消息在网络中无限循环。

近些年软件定义网(Software Defined Networking,SDN)因为其控制层和数据层的良好解耦合等特性而逐渐成为应对大二层网络的有效技术(其中的控制器可通过OpenFlow协议对网络各个交换机配置和下发流表来对网络数据流进行控制，包括广播的方向和路径等，从而在保证转发效率的同时杜绝广播风暴等问题)。但是在已有的各项SDN方案中(例如N.Gudeet al.,“Nox:towards an operating system for networks,”SIGCOMM pp.105–110,2008；NEC,“Trema Openflow Controller,”2012.http://trema.github.com/trema；D.Erickson,“Floodlight Javabased OpenFlow Controller,”2012.http://floodlight.openflowhub.org；OpenDayLight,http://OpenDayLight.org)，无论是采用反应被动模式(reactive)还是前瞻主动模式(proactive)，在应对ARP主机发现时一般都面临以下问题：在反应被动模式中，控制器在需要向网络中所有交换机的每个端口依次进行广播来寻找目的主机的IP-MAC映射信息，显然该模式不适用于控制器工作负载较重的情况；而在前瞻主动模式中，虽然控制器可通过实时主动地在其数据库中尽可能早地预先建立所有主机的IP-MAC映射信息，达到避免ARP广播和提升控制器工作速度的目的，但是若在短时间内遭遇大量网络ARP攻击，这种模式将使控制器不堪重负。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于负载均衡的SDN网络主机发现方法及系统，用于解决现有技术中网络范围大、控制器负载重、主机发现效率低以及灵活性差等的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于负载均衡的SDN网络主机发现方法，包括步骤：1)控制器获取全网交换机的拓扑信息；2)控制器基于全网交换机的拓扑信息和建树策略来生成交换机级别的广播树，并根据所生成的广播树来对各个交换机进行相关流表的配置和下发；3)交换机实时获悉控制器当前的工作负载状况并应对来自源主机的ARP请求，若控制器负载轻时，主机发现任务完全由控制器承担，不必去占用网络中的有限信道带宽资源；若控制器负载重时，由各个交换机来负责主机发现任务，不给控制器带来额外的工作负载，使其相对有更多的能力来负责SDN网络中其它管理控制工作。

作为本发明的基于负载均衡的SDN网络主机发现方法的一种优选方案，步骤1)中，网络中的各个交换机运用链路层发现协议，使控制器获取到全网交换机信息以及各交换机之间连接信息，从而构建出全网交换机的拓扑。

作为本发明的基于负载均衡的SDN网络主机发现方法的一种优选方案，步骤2)中，控制器根据所获取的交换机拓扑信息，利用Prim算法主动构建交换机级别的最小生成树作为广播树，以将全网所有交换机通过广播树串联起来，并基于所生成的广播树对各个交换机的流表进行配置和下发，从而在首个ARP请求发生之前通过广播树在全网交换机之间建立好相应的通信路径。

作为本发明的基于负载均衡的SDN网络主机发现方法的一种优选方案，步骤3)中，当控制器工作负载较轻时，源交换机会将ARP请求上传至控制器，由控制器负责将主机查找消息依次发往所有交换机每个端口。

作为本发明的基于负载均衡的SDN网络主机发现方法的一种优选方案，步骤3)中，当控制器工作负载较重时，源交换机不会将ARP请求上传至控制器，而是根据之前控制器下发的流表内容，将主机查找消息发送到所有与其直接相连的主机，以及沿着广播树将主机查找消息转发到相邻交换机；然后，广播树沿途的其它交换机都会根据流表自动重复相同的动作，以使主机查找消息以辐射扩散的方式沿着广播树向全网传播，直至到达目的主机。

本发明提供一种基于负载均衡的SDN网络主机发现系统，包括：控制器，用于获取全网交换机的拓扑信息，基于全网交换机的拓扑信息和建树策略来生成交换机级别的广播树，并根据所生成的广播树来对各个交换机进行相关流表的配置和下发；以及交换机，用于实时获悉控制器当前的工作负载状况并应对来自源主机的ARP请求，若控制器负载轻时，主机发现任务完全由控制器承担，不必去占用网络中的有限信道带宽资源；若控制器负载重时，由各个交换机来负责主机发现任务，不给控制器带来额外的工作负载，使其相对有更多的能力来负责SDN网络中其它管理控制工作。

作为本发明的基于负载均衡的SDN网络主机发现系统的一种优选方案，所述控制器包括：拓扑模块，用于获取网络中所有交换机信息和各交换机之间的连接信息；广播树模块，用于根据所述各交换机之间的连接信息、建树策略来生成包含所需交换机的广播树；流表更新模块，用于根据所生成的广播树来配置各所需交换机各自的流表信息，并将各流表信息发送给各对应的交换机；广播模块，用于当控制器工作负载不重时，控制器向所有交换机的每个端口广播发送主机查找消息。

作为本发明的基于负载均衡的SDN网络主机发现系统的一种优选方案，各交换机基于所述控制器所下发的流表来对收到的消息进行相应处理，以便能快速地实现对主机的查找与发现。

如上所述，本发明的基于负载均衡的SDN网络主机发现方法及系统，采用两种方式应对来自源主机的ARP请求，第一种方式可以使控制器完全承担主机发现任务，不必占用交换机链路间有限的信道带宽资源；第二种方式则把繁重的主机发现任务交由各个交换机处理，使控制器相对留有更多的能力来负责SDN网络中其它管理控制工作。两种方式的有效互补，使网络能够根据实际控制器的实际工作负载情况实现灵活高效的主机发现。具体地，本发明具有以下有益效果：

1)广播树确定了广播的走向，所以在网络中不会产生无序广播和广播风暴等问题。

2)将前瞻主动模式(预先建立交换机级别的广播树)和反应被动模式进行有机结合，克服了:单纯前瞻主动模式中控制器易遭受ARP攻击的缺点。

3)当控制器工作负载较重时，将控制器从繁重的主机发现任务中解脱出来，转而交由各个交换机负责，主机查找消息可沿着交换机级别的广播树以辐射扩散的模式在全网进行迅速传播。减少了控制器与交换机的交互量，降低了控制器的工作负载，使得控制器相对有更多的能力来负责SDN网络中其它的管理控制工作。

4)两种主机发现方式可有效互补，从而使网络能够根据实际控制器的工作负载，在保证负载均衡的情况下实现灵活高效的主机发现。

附图说明

图1显示为本发明的基于负载均衡的SDN网络主机发现方法的步骤流程示意图。

图2显示为本发明基于负载均衡的SDN网络主机发现系统的结构框图。

图3显示为本发明基于负载均衡的SDN网络主机发现方法的一个具体实施示例示意图。

元件标号说明

11 控制器

111 拓扑模块

112 广播树模块

113 流表更新模块

114 广播模块

12 SDN交换机

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1～图3所示，本实施例提供一种基于负载均衡的SDN网络主机发现方法，所述发现方法包括步骤：

首先进行步骤1)，控制器获取全网交换机的拓扑信息。

具体地，网络中的各个交换机运用链路层发现协议，使控制器获取到全网交换机信息以及各交换机之间连接信息，从而构建出全网交换机的拓扑。

然后进行步骤2)，控制器基于全网交换机的拓扑信息和建树策略来生成交换机级别的广播树，并根据所生成的广播树来对各个交换机进行相关流表的配置和下发。

具体地，控制器根据所获取的交换机拓扑信息，利用Prim算法主动构建交换机级别的最小生成树作为广播树，以将全网所有交换机通过广播树串联起来，并基于所生成的广播树对各个交换机的流表进行配置和下发，从而在首个ARP请求发生之前通过广播树在全网交换机之间建立好相应的通信路径。

最后进行步骤3)，交换机实时获悉控制器当前的工作负载状况并应对来自源主机的ARP请求，若控制器负载轻时，主机发现任务完全由控制器承担，不必去占用网络中的有限信道带宽资源；若控制器负载重时，由各个交换机来负责主机发现任务，不给控制器带来额外的工作负载，使其相对有更多的能力来负责SDN网络中其它管理控制工作。

具体，当控制器工作负载较轻时，源交换机会将ARP请求上传至控制器，由控制器负责将主机查找消息依次发往所有交换机每个端口。

当控制器工作负载较重时，源交换机不会将ARP请求上传至控制器，而是根据之前控制器下发的流表内容，将主机查找消息发送到所有与其直接相连的主机，以及沿着广播树将主机查找消息转发到相邻交换机；然后，广播树沿途的其它交换机都会根据流表自动重复相同的动作，以使主机查找消息以辐射扩散的方式沿着广播树向全网传播，直至到达目的主机。

图3显示为基于负载均衡的SDN网络主机发现方法的一个更具体的实施例。在该实例中，全网共有6个SDN交换机，其中主机h1和交换机s1直连，主机h2和交换机s2直连。控制器主要负责生成广播树，根据广播树对各个交换机进行流表的配置和下发，以及在其工作负载不重时兼备主机发现任务。另一方面，各个交换机根据控制器下发的流表，在控制器工作负载较重时负责将主机查找消息转发到与其直连的主机和广播树上的邻居交换机。整个实例的实施分为以下三个步骤：

Step 1：首先在网络建立之初，各个交换机运用LLDP帮助控制器获取整个网络的交换机拓扑信息。

Step 2：在获取网络中的交换机拓扑信息之后，控制器立即采用Prim算法(B.Chen,F.Wei,J.Pan,and Y.Xia,“The minimum spanning trees of trna sequences based on prim’s algorithm,”Inthe Fifth International Conference on Natural Computation(ICNC),pp.176–179,2009)构建交换机级别的最小生成树，并将其作为全网的广播树。例如，图3中的广播树即为 (加粗的蓝色实线)。可见广播树将全网的交换机串联起来。

接下来，控制器就可根据生成的广播树来对各个交换机进行流表配置。图3中每个交换机旁的数字表示的是该交换机的端口号。图3底部的表格是交换机s1的流表。在该表中，第一列的数字表明消息的输入端口号；最后一列是交换机相应的处理动作(action)，即将收到的消息通过哪些端口发送出去。比如，如果某个主机查找消息从端口1进入s1，则s1会将其通过port3(和交换机s3直连)和port4(和主机h1直连)转发出去。

最后，控制器会把这些配置好的流表下发到各个交换机中。值得注意的是，此时控制器的数据库中只是掌握了全网交换机的拓扑信息，但对全网的主机信息(比如IP-MAC映射)没有任何了解。

Step 3：图3中的主机h1要向另一主机h2发送数据，则首先要知道h2的位置(即获取h2的IP-MAC映射信息)。此时，根据当前控制器的实际工作负载轻重状况，系统会分别采用以下两种方式来查找目的主机：

此时若控制器的工作负载为轻，则ARP请求由s1上传至控制器。如Step 1中所述，控制器的数据库此时没有任何主机信息，因此控制器会向所有交换机的每个端口依次发送packet_out消息来查找目的主机。

此时若控制器的工作负载为重，则s1不将ARP请求上传，而是根据图3中的流表将该主机查找消息从它的port1和port3同时转发出去。当s3从它的port1收到主机查找消息，马上通过port2向广播树上与其相连的下一个交换机s6进行转发(Step3_1)。同样地，当s4从它的port1收到主机查找消息，马上通过port3向广播树上与其相连的下一个交换机s5进行转发(Step3_2)。接下来，s6从它的port1接收到主机查找消息(Step3_3)。s5从它的port1接收到主机查找消息，并马上通过port3向广播树上与其相连的下一个交换机s2进行转发(Step3_4)。最后，s2从它的port2收到主机查找消息，并马上通过port1转发到h2(Step3_5)。因此，主机查找消息通过广播树被各个交换机转发到整个网络并最终使得h2做出ARP回应。

在收到ARP回应后，控制器对h1和h2的IP-MAC映射信息都有了具体了解，并将这些信息储存在其数据库中，并且控制器及时对交换机的流表进行相应更新。如此一来，当后续有其它的主机要向h1或h2发送数据时，不必再执行主机查找，可以直接对数据包进行转发。

值得注意的是，在上述交换机执行的主机发现过程中，因为某些交换机(比如s3和s4)可同时并行地像辐射扩散一样沿着广播树向其两端的交换机转发主机查找消息，比起由控制器逐个向所有交换机的每个端口进行广播查找的速度要快。

如图2所示，本实施例还提供一种基于负载均衡的SDN网络主机发现系统，包括：控制器11，用于获取全网交换机的拓扑信息，基于全网交换机的拓扑信息和建树策略来生成交换机级别的广播树，并根据所生成的广播树来对各个交换机进行相关流表的配置和下发；以及交换机12，用于实时获悉控制器当前的工作负载状况并应对来自源主机的ARP请求，若控制器负载轻时，主机发现任务完全由控制器承担，不必去占用网络中的有限信道带宽资源；若控制器负载重时，由各个交换机来负责主机发现任务，不给控制器带来额外的工作负载，使其相对有更多的能力来负责SDN网络中其它管理控制工作。

在本实施例中，所述控制器11包括：拓扑模块111，用于获取网络中所有交换机信息和各交换机之间的连接信息；广播树模块112，用于根据所述各交换机之间的连接信息、建树策略来生成包含所需交换机的广播树；流表更新模块113，用于根据所生成的广播树来配置各所需交换机各自的流表信息，并将各流表信息发送给各对应的交换机；广播模块114，用于当控制器工作负载不重时，控制器向所有交换机的每个端口广播发送主机查找消息。

在本实施例中，各交换机基于所述控制器所下发的流表来对收到的消息进行相应处理，以便能快速地实现对主机的查找与发现。

如上所述，本发明的基于负载均衡的SDN网络主机发现方法及系统，采用两种方式应对来自源主机的ARP请求，第一种方式可以使控制器完全承担主机发现任务，不必占用交换机链路间有限的信道带宽资源；第二种方式则把繁重的主机发现任务交由各个交换机处理，使控制器相对留有更多的能力来负责SDN网络中其它管理控制工作。两种方式的有效互补，使网络能够根据实际控制器的实际工作负载情况实现灵活高效的主机发现。具体地，本发明具有以下有益效果：

1)广播树确定了广播的走向，所以在网络中不会产生无序广播和广播风暴等问题。

2)将前瞻主动模式(预先建立交换机级别的广播树)和反应被动模式进行有机结合，克服了:单纯前瞻主动模式中控制器易遭受ARP攻击的缺点。

3)当控制器工作负载较重时，将控制器从繁重的主机发现任务中解脱出来，转而交由各个交换机负责，主机查找消息可沿着交换机级别的广播树以辐射扩散的模式在全网进行迅速传播。减少了控制器与交换机的交互量，降低了控制器的工作负载，使得控制器相对有更多的能力来负责SDN网络中其它的管理控制工作。

4)两种主机发现方式可有效互补，从而使网络能够根据实际控制器的工作负载，在保证负载均衡的情况下实现灵活高效的主机发现。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种基于负载均衡的SDN网络主机发现方法，其特征在于，包括步骤：

1)控制器获取全网交换机的拓扑信息；

2)控制器基于全网交换机的拓扑信息和建树策略来生成交换机级别的广播树，并根据所生成的广播树来对各个交换机进行相关流表的配置和下发；

3)交换机实时获悉控制器当前的工作负载状况并应对来自源主机的ARP请求，若控制器负载轻时，主机发现任务完全由控制器承担，不必去占用网络中的有限信道带宽资源；若控制器负载重时，由各个交换机来负责主机发现任务，不给控制器带来额外的工作负载，使其相对有更多的能力来负责SDN网络中其它管理控制工作。

2.根据权利要求1所述的基于负载均衡的SDN网络主机发现方法，其特征在于：步骤1)中，网络中的各个交换机运用链路层发现协议，使控制器获取到全网交换机信息以及各交换机之间连接信息，从而构建出全网交换机的拓扑。

3.根据权利要求1所述的基于负载均衡的SDN网络主机发现方法，其特征在于：步骤2)中，控制器根据所获取的交换机拓扑信息，利用Prim算法主动构建交换机级别的最小生成树作为广播树，以将全网所有交换机通过广播树串联起来，并基于所生成的广播树对各个交换机的流表进行配置和下发，从而在首个ARP请求发生之前通过广播树在全网交换机之间建立好相应的通信路径。

4.根据权利要求1所述的基于负载均衡的SDN网络主机发现方法，其特征在于：步骤3)中，当控制器工作负载较轻时，源交换机会将ARP请求上传至控制器，由控制器负责将主机查找消息依次发往所有交换机每个端口。

5.根据权利要求1所述的基于负载均衡的SDN网络主机发现方法，其特征在于：步骤3)中，当控制器工作负载较重时，源交换机不会将ARP请求上传至控制器，而是根据之前控制器下发的流表内容，将主机查找消息发送到所有与其直接相连的主机，以及沿着广播树将主机查找消息转发到相邻交换机；然后，广播树沿途的其它交换机都会根据流表自动重复相同的动作，以使主机查找消息以辐射扩散的方式沿着广播树向全网传播，直至到达目的主机。

6.一种基于负载均衡的SDN网络主机发现系统，其特征在于，包括：

控制器，用于获取全网交换机的拓扑信息，基于全网交换机的拓扑信息和建树策略来生成交换机级别的广播树，并根据所生成的广播树来对各个交换机进行相关流表的配置和下发；

交换机，用于实时获悉控制器当前的工作负载状况并应对来自源主机的ARP请求，若控制器负载轻时，主机发现任务完全由控制器承担，不必去占用网络中的有限信道带宽资源；若控制器负载重时，由各个交换机来负责主机发现任务，不给控制器带来额外的工作负载，使其相对有更多的能力来负责SDN网络中其它管理控制工作。

7.根据权利要求6所述的基于负载均衡的SDN网络主机发现系统，其特征在于，所述控制器包括：

拓扑模块，用于获取网络中所有交换机信息和各交换机之间的连接信息；

广播树模块，用于根据所述各交换机之间的连接信息、建树策略来生成包含所需交换机的广播树；

流表更新模块，用于根据所生成的广播树来配置各所需交换机各自的流表信息，并将各流表信息发送给各对应的交换机；

广播模块，用于当控制器工作负载不重时，控制器向所有交换机的每个端口广播发送主机查找消息。

8.根据权利要求6所述的基于负载均衡的SDN网络主机发现系统，其特征在于，各交换机基于所述控制器所下发的流表来对收到的消息进行相应处理，以便能快速地实现对主机的查找与发现。