CN106603408A

CN106603408A - 一种sdn多控制器可扩展的协同方法

Info

Publication number: CN106603408A
Application number: CN201611020429.2A
Authority: CN
Inventors: 陈金榜; 凌君臣; 陈珏
Original assignee: East China Normal University
Current assignee: East China Normal University
Priority date: 2016-11-17
Filing date: 2016-11-17
Publication date: 2017-04-26
Anticipated expiration: 2036-11-17
Also published as: CN106603408B

Abstract

本发明公开了一种SDN多控制器可扩展的协同方法，该方法在维持网络基本性能的基础上，大大提升了网络的可扩展性，其包括：选取不同网络角色；建立带内控制信道；抽象、建立视图；在层次拓扑基础之上进行路由转发等步骤；本发明解决了传统单控制器在大型网络中难以应用的问题，主要成果是：在现有硬件条件下可以实施，并且有效减少了网络同步的开销，使得SDN网络可以在大范围网络内得以应用。

Description

一种SDN多控制器可扩展的协同方法

技术领域

本发明属于网络技术领域，特别是一种软件定义网络(SDN)多控制器可扩展的协同方法。

背景技术

软件定义网络是现代网络的变革点，针对现代网络在面对现代复杂多变的网络环境和网络需求时的不足而提出。是一种推倒重来的设计机制，放弃了传统网络的分布式基础架构，提出控制平面和数据转发平面分离的方法，采用集中控制的控制方式来获取传统网络难以想象的灵活性。但也因为SDN集中控制的原因，在应用于广域网时，如果仍然采用一个控制核心，控制器的负载将会变得极大，同时，控制时延将会大大增加。这两者将对网络的性能造成很大的影响。

能否解决广域网内的多控制器高效协同问题，是SDN是否能成功应用的一个重要条件。因此，研究针对大型网络中多个控制器的协同工作的架构具有重大的意义。常见的多控制器协同系统存在着同步开销大，需要额外设备支持等诸多问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种SDN多控制器可扩展的协同方法，该方法综合考虑网络中诸如时延、覆盖范围等问题，在维持可用性的同时提高了SDN网络的可扩展性，解决了广域网中多控制器的瓶颈问题。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种SDN多控制器可扩展的协同方法，特点是该方法包括以下具体步骤：

步骤1：拓扑获取

A1：控制器连接交换机

交换机和控制器均支持Openflow协议；交换机和控制器之间建立TCP信道来传递交互信息；一个控制器连接多个交换机；

A2：控制器发送LLDP报文来获取拓扑

控制器向所控制的每一个交换机发送LLDP报文，这个报文带有交换机的ID并且只有一跳；交换机洪范这个LLDP报文；其它邻接交换机收到这个LLDP后向所属的控制器提交；A3：控制器计算拓扑并标记边缘端口

将步骤A2获取到的交换机邻接信息汇总并计算所属域的拓扑；标记那些没有构成所属域链路的端口，这些端口就是边缘端口；

步骤2：网络视图构架

B1：选取Speaker和Listener控制器

将网络拓扑抽象为图G＝(V，E)；对于不同的抽象层中的拓扑，计算每一个拓扑中最佳Speaker位置；

B2：建立带内通信信道

B2a：各控制器将预先在交换机上安装流表，当交换机发现匹配的流表项时，将会直接提交给控制器；流表的匹配项是所有控制器之间约定的、Openflow支持的，并且全网唯一的匹配项，一般可以采用TCP/UDP port、Vlantag、MPLS等；本方法中采用TCP/UDP port。

B2b：Speaker向其所控制的所有的交换机的边缘端口洪范Speaker ID Notice报文；

B2c：收到Speaker ID Notice报文的控制器将会记录报文的来源端口；

B2d：Listener继续向边缘端口(Speaker ID Notice来源端口除外)洪范SpeakerID Notice报文使其到达网络上每一个控制器；

B2e：Listener只对Speaker ID Notice报文响应一次，避免重复洪范造成的广播风暴问题；

B2f：当Listener接收到其它Listener的Listener Registration消息时，记录来源端口，并在B2c中记录的Speaker ID Notice来源端口之间下发流表，建立带内信道；

B3：控制器通过边缘端口发送邻接发现报文

B3a：无论Speaker还是Listener，所有控制器向所有边缘端口发送Neighbour IDNotice消息，Neighbour ID Notice包含了控制器的ID，将其放在报文的负载字段；

B3b：Neighbour ID Notice报文仅有一跳，用于邻接拓扑发现；

B3c：所有的控制器，都会接收相邻控制器的Neighbour ID Notice消息，解析负载字段，得到相邻关系；

B4：Listener控制器将邻接信息汇总发送至Speaker控制器

B4a：通过步骤B2建立的带内通信信道发送；

B4b：将消息组织成JSON的形式，方便解析；

B4c：使用Adjacency Report消息，将JSON放在报文的负载字段；采用增量式报告，当新的控制器被发现时，才会发送Adjacency Report消息至Speaker；

B5：Speaker控制器计算并同步至Listener控制器

B5a：Speaker接受到Adjacency Report消息，取出报文的负载字段，解析JSON，并将控制器之间的邻接消息汇合；

B5b：Speaker将汇合的拓扑信息组织成JSON形式再发送；

B5c：使用Network View Update消息，将JSON放在报文的负载字段；采用增量式同步，只有收到新的Adjacency Report消息时，先计算拓扑信息，然后同步；

B6：建立层次性的网络抽象视图

B6a：多个Speaker重新构建一个层作为上层，按照步骤B1的方式，重新选取本层中的Speaker和Listener；

B6b：所有的在上层的Listener将会抽象网络拓扑信息，将它作为下层Speaker所控制的域抽象为一个节点，节点的主要信息是聚合的ip地址，并提供给上层的Speaker；

B6c：重复步骤B2-步骤B5，反复选取Speaker和Listener，构建更高的层；

步骤3：根据网络视图计算路径

C1：一个控制器收到一个新的流安装请求时，将会判断目的地址是否在控制器所掌握的网络视图之中；

C2：若在本控制器所掌握的网络视图之中，控制器将会根据最短路径算法计算路径，在本域内安装流表，直到将报文交付给下一跳；

C3：若不在本控制器所掌握的网络视图中，控制器将会发送View Request消息，请求目的地址所在的位置。

本发明解决了传统单控制器在大型网络中难以应用的问题，主要成果是：在现有硬件条件下可以实施，并且有效减少了网络同步的开销，使得SDN网络可以在大范围网络内得以应用。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明LLDP报文交互发现过程图；

图3为本发明控制器的级联失效示意图；

图4为本发明带内通信信道的工作过程图；

图5为本发明构建层次的网络视图过程示意图；

图6为本发明实施例网络拓扑图；

图7为在域大小不变，改变域数量情况下，本发明和平面型多控制器架构在同步开销方面的比较图；

图8为在域数量不变，改变域大小情况下，本发明和平面型多控制器架构在同步开销方面的比较图；

图9为在域大小不变，改变域数量情况下，本发明和单控制器架构在流安装时间方面的比较图；

图10为在域数量不变，改变域大小情况下，本发明和单控制器架构在流安装时间方面的比较图。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

本发明包括以下步骤：

控制器连接交换机

控制器连接交换机，两者建立TCP信道。控制器第一次收到交换机的注册消息(基于Openflow协议或其他SDN协议)时，将会安装一张流表。该流表的匹配项信息和动作如下所示：

匹配项	优先级	动作
			All	0	Tocontroller

这是一条匹配所有流的优先级为0的流表，优先级为0代表它总是最后被匹配，匹配项为All则代表着可以匹配任意流，动作Tocontroller代表着将这个报文交给控制器。通过这条流表，当交换机遇到其他流表不能匹配的流时，将会匹配这张流表，将这个报文交给控制器处理。

同时，交换机向控制器注册自己。控制器查询交换机的一些基本信息，主要是查询交换机都有哪些端口，端口的基本信息等，为后面的工作做准备。

控制器获取本域视图

如图2所示，控制器构造一个LLDP(Link Layer Discovery Protocol，链路层发现协议)报文，这是一个厂商无关的协议。不同于普通的LLDP报文，控制器在此报文中附带有目标交换机的ID，通过Packet-out报文发送出去，并且命令目标交换机将这个报文洪范出去。

其他交换机收到这个LLDP报文后，将会进行匹配，直到匹配到上述安装的那条优先级为0的流表为止，将这个LLDP报文通过Packet-in报文交给控制器。

控制器解析收到的Packet-in报文，找到源交换机的ID，解析Packet-in报文中的LLDP报文得到目的交换机的ID。可以得到这两个交换机中存在一条链路。如图2所示，不同的箭头代表着不同状态的报文，实线代表着物理信道，虚线代表着控制信道。控制器构造了目的交换机为S2的LLDP报文，并且从S1，S3处收到了这个报文，可以确定S2-S1、S2-S3之间存在着链路。

下面控制器还需要找到本域的边缘端口集合P_s。在控制器连接交换机中，获取到了交换机的一些基本信息，设交换机所有的端口集合为P_a。图2中，

P_a＝{S2-1，S2-2,S2-3…}

设构成域内链路的端口集合P_l。

P_l＝{S2-1，S2-2…}

则边缘端口集合P_s＝P_a-P_l。

P_s＝{S2-3}

边缘端口代表着那些连接着控制器未知位置的端口；其他拓扑按照上面的方式同样可以计算出边缘端口。

Speaker的选取

Speaker和Listener是本发明中重要的两个角色，它们都是控制器，只是担负了不同的角色。顾名思义，Speaker负责和外域交互，是本域和外域的交流者，Listener只和Speaker交互，而Speaker还和外域的Speaker进行交互。

选取Speaker时需要注意控制器的级联失效问题，如图3所示，图中1是Speaker并和其他节点建立了带内通信信道，在5节点失效时，影响到了其他没有失效节点(节点8和节点9)的带内通信。也就是说，当一个控制器失效时，可能会影响到其它正常工作的控制器。在多个控制器选取Speaker时，通过选取合适的Speaker位置，可以尽量避免出现这样的问题。

设H是本域内节点的集合；

i为H内的节点；

p_i是节点i发生错误的概率，一般设为等概率，即

是选取j作为Speaker时，节点i发生错误后不受影响的节点数量；

uⁱ是节点i发生错误后收到影响的节点数量；

α是固定参数，α∈[0,1]。

依次遍历全网中的节点，并计算t，t是错误发生时的平均开销，取t最小的节点为Speaker。这样得到的Speaker节点在错误发生时，级联失效对全网的影响最小。

构建Speaker和Listener之间的带内通信信道

在本发明中，一个重要的特征就是采用带内通信信道进行控制器之间的交互。在实际的大型网络中，由于网络延迟无法忽略，采用带外方式(单线直连)进行网络通信是不可能的，下面说明是如何构架带内通信信道的。

架构带内信道不需要额外设备的支持，采用下面约定的报文信息即可。

根据这些约定的报文，控制器预先安装了流表，当发现符合匹配信息的报文出现时，将直接交给控制器。如图4所示，通过带内通信信道，控制器不必解析每一个提交上来的报文即可获得相关的控制信息。

有些报文可能涉及到大量的信息，如组织成JSON的Adjacency Report和NetworkView Update消息。将它们放到UDP报文的负载字段即可，控制器分别配备了二进制序列化和解析模块，当发现符合条件的报文时，直接调取相对应的处理模块，直接解析出负载字段的信息。当需要发送控制信息时，将消息序列化为二进制的形式然后放入负载字段中。通过这样的方式，不需要额外的设备和协议也可以自定义网络中控制报文。

为了简单便捷，采用端口号作为匹配项，在实际应用中，采用SDN交换机支持的任意的匹配项都是可以的，只需要保证这些匹配项的全网唯一性。建议采用MPLS，Vlantag等作为识别匹配项。

构建Speaker和Listener之间的通信信道需要等待第一次Speaker ID Notice和Listener Registration交互完，分别记录这两个报文的来源端口，计算下发流表建立信道，后面的所有Speaker和Listener之间的报文将会通过这个信道进行传输。

建立层次性的抽象网络视图

Listener将会抽象自己域的网络为一个点提供给Speaker，Speaker计算本域的拓扑时，根据这些抽象的点进行计算，并且将它进行同步。通过这样的方式减少同步的信息量并且保证了各自控制器的隐私性。

进行抽象时，要考虑两个方面：1)本域的开销；2)ip的聚合。本域的开销是指一个报文通过本域时的平均跳数，这反映了通过这个域的所需付出的代价。设本域的拓扑G＝(V,E),两点之间的最短路径跳数由函数min_hop()求得，边缘端口集合为P_s，T为P_s中元素的个数。

T＝|P_s|；

其中P_i,P_j∈P_s，S_i为P_i对应的交换机。

min_hop()函数是最短路径算法典型，典型的有Dijkstra，Floyed，SPFA等，在本发明中采用Floyed带权最短路径算法。

根据上述公式计算本域的开销，并提交给Speaker。

ip聚合是将本域内的ip地址聚合为一个CIDR(无类别域间路由，ClasslessInter-Domain Routing)地址。

在Speaker得到本域的拓扑信息后，重复上面的步骤。下层的Speaker控制器通过选取机制选取上层的Speaker控制器，下层Speaker根据上述算法抽象所属域为一个点并提供给上层Speaker，循环往复直到构建出层次性的网络视图，如图5所示。

路由

控制器根据掌握的网络视图进行路由，找到目标地址所在抽象视图中的位置，根据最短路径算法计算路径，并在本域内下发流表，使后面的报文将不会重复提交给控制器。控制器只负责将报文交付给下一跳即可，下一跳的控制器，将继续计算。

当发现当前目标地址不在掌握的网络视图中，控制器将会向它的Speaker发送View Request消息，请求目标地址的所在地。这个查询的过程是递归的，上层Speaker如果依然不知道目标地址的位置，将会继续向上请求，直到找到目标地址的位置。然后Speaker通过View reply消息返回查询结果给Listener，每一层向下返回时，提供给下层Listener的是相对于下层的位置。

当控制器知道目标地址的位置后，将会进行最短路径的计算。这里采用改进的Floyed算法，设有n个域，每个域的开销为c_i，按照下面的规则构建二维数组map[n][n]：

1.map[i][i]＝0；

2.当节点i和节点j直连时，map[i][j]＝c_j；

3.当节点i和节点j不直连时，map[i][j]＝∞；

然后将map数组带入下面的算法中

for(k＝1；k<＝n；k++)

for(i＝1；i<＝n；i++)

for(j＝1；j<＝n；j++)

if(map[i][k]<inf&&map[k][j]<inf&&map[i][j]>map[i][k]+map[k][j])

map[i][j]＝map[i][k]+map[k][j]；

最后得到map数组，map[i][j]＝k代表着，节点i到节点j需要经过节点k，递归查询本数组，就可以得到下一跳的位置。如map[1][3]＝2，map[1][2]＝2，代表着节点1到节点3需要经过节点2，而节点1和节点2直连，那从节点1到节点3的下一跳就是节点2。

根据map的值取出计算安装流表，将这个报文交付给下一跳即可。

本发明采用层次化的架构，有效减少了网络视图同步时的同步开销。以网格状网络为例(如图6所示)，与传统的平面化化的网络架构相比，以同步网络视图的所需的报文经过的跳数作为比较参数，如图7、图8所示，无论域的大小(S和T)和域(M和N)的规模如何变化，本发明都大大减少了网络的同步开销。

同时保证了网络性能的稳定，本实施例中，在维持网络性能的情况下，以流安装时间作为比较参数，与单控制器进行比较，实验结果如图9和图10所示，无论域的大小(S和T)和域的规模(M和N)如何变化，当网络规模扩张到一定程度之后，本发明流安装时间要优于单控制器。

Claims

1.一种SDN多控制器可扩展的协同方法，其特征在于该方法包括以下具体步骤：

步骤1：拓扑获取

A1：控制器连接交换机

A2：控制器发送LLDP报文来获取拓扑

控制器向所控制的每一个交换机发送LLDP报文，这个报文带有交换机的ID并且只有一跳；交换机洪范这个LLDP报文；其它邻接交换机收到这个LLDP后向所属的控制器提交；

A3：控制器计算拓扑并标记边缘端口

步骤2：网络视图构架

B1：选取Speaker和 Listener控制器

将网络拓扑抽象为图G=(V，E)；对于不同的抽象层中的拓扑，计算每一个拓扑中最佳Speaker位置；

B2：建立带内通信信道；

B2a：各控制器将预先在交换机上安装流表，当交换机发现匹配的流表项时，将会直接提交给控制器；流表的匹配项是所有控制器之间约定的、Openflow支持的，并且全网唯一的匹配项，采用TCP/UDP port、Vlantag或MPLS；

B2d：Listener继续向除了来源端口之外的边缘端口洪范Speaker ID Notice报文，使其到达网络上每一个控制器；