CN106921571A - 一种软件定义网络联合路由选择与流分配方法 - Google Patents

一种软件定义网络联合路由选择与流分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种软件定义网络（SDN）联合路由选择与流分配方法，涉及通信网络技术领域。所述方法包括：控制器根据用户路由请求消息获取SDN网络连接图，并根据用户业务需求确定候选路由；建模业务传输时延效用函数，进而优化目标传输路由及流分配策略。本发明综合考虑用户的业务需求，交换机的传输速率及传输时延等信息，以传输时延优化为目标，实现SDN联合优化路由选择及流分配。

Description

一种软件定义网络联合路由选择与流分配方法
技术领域
本发明涉及通信网络技术领域，特别涉及一种软件定义网络的联合路由选择与流分配方法。
背景技术
软件定义网络(Software Defined Network,SDN)是由斯坦福大学于2009提出的一种新兴的基于软件的网络架构与技术，其主要特点是控制平面与数据平面分离，逻辑上集中化控制网络以及通过软件编程实现灵活高效的网络管理与运行维护。
由于控制平面与数据平面的分离，使得快速开通及配置网络连接服务成为可能。在SDN架构中，智能化的SDN控制器能够获取网络的全局视图，并且能够控制整个网络的数据转发设备。基于SDN的网络能够有效隔离流量、区分服务链及便于服务质量(QualityofService，QoS)管理，从而可有效解决传统网络成本高、不够灵活、QoS难以有效管理等问题，然而，SDN架构的集中式网络控制、控制与数据平面分离、虚拟化等特性给网络管理机制特别是路由选择机制带来新的问题及挑战。
文献[Zhang S Q,Zhang Q,Bannazadeh H,et al.Network FunctionVirtualization enabled multicast routing on SDN,IEEE International Conferenceon Communications(ICC),2015]提出了一种基于图论的SDN网络路由算法，该算法用于SDN组播网络中，并通过网络功能虚拟化技术，建立适当的组播拓扑，但该算法没有解决为核心网络分配路由等问题。文献[翟跃，一种SDN的路由生成、匹配方法和系统，CN104901890A，2015]提出了一种SDN的路由生成、匹配方法，SDN控制器定时获取链路状态信息和网络拓扑结构，统一计算路由信息，生成交换机的流表进行路由转发，但该方法仅以路由开销作为路由选择的依据，未考虑QoS保障。文献[Liu W H,Zhou W H,Wang Y M,et al.Flexiblemulti-path routing for global optimization in software-defined datacenters,IEEE Symposium on Computers and Communication(ISCC),2016]提出了一种软件定义数据中心网络多路径路由设计方案，通过修改多路径参数实现带约束的多径路由，但该方案未综合考虑中继交换机的传输性能及数据流分配问题。
综上所述，SDN的网络环境中如何综合考虑用户的业务需求，链路容量及QoS保障等特性，实现用户的联合路由选择与流分配方案，从而降低网络时延、提升网络稳定性成为亟待解决的问题。
发明内容
针对现有研究的不足，本发明提供一种SDN(软件定义网络)的联合路由选择与流分配方法。所述方法包括以下步骤：
步骤1，SDN源交换机向SDN控制器发送路由请求消息；
步骤2，控制器调用相应模块获取SDN网络连接图；
步骤3，控制器执行候选交换机选择算法，确定候选交换机集合；
步骤4，控制器删除不满足用户速率需求的交换机和链路，更新SDN网络连接图；
步骤5，控制器建模路由选择与流分配标识；
步骤6，控制器确定路由选择及流分配限定条件；
步骤7，控制器建模流传输时延函数；
步骤8，控制器在满足流分配及用户需求等限定条件下，基于时延函数最小化确定联合路由选择及流分配策略，并更新路由流表；
步骤9，SDN源交换机与中继交换机根据流表项对数据流进行转发，直至到达目的交换机。
进一步，所述的SDN联合路由选择与流分配方法，其特征在于:所述路由请求消息包含数据流目的节点Vd，拟传输流量Sm，最低传输速率需求Rreq等信息。
进一步，所述SDN网络连接图表示为由网络节点及节点间链路构成的无向图G＝(V,E)，其中，V为网络中节点集合，共有N个交换机，包括源交换机、中继交换机以及目的交换机等设备，令S＝{Vs}表示源交换机集合，Vs表示源交换机，T＝{Vd}表示目的交换机集合，R表示中继交换机集合，R＝{Vi,1≤i≤NR}，其中，Vi表示第i个交换机，NR为中继交换机数目，V＝S∪R∪T；E为链路集合，令Eij表示Vi与Vj之间链路，则
进一步，所述候选交换机选择算法是指Vj可作为数据流候选交换机，仅当存在直传链路Eij，其可用速率Rij满足数据流最低速率需求，即Rij≥Rreq，且存在直传链路Ejk，其可用速率Rjk满足数据流最低速率需求，即Rjk≥Rreq。若Vj满足上述条件，则记入候选交换机集合，以V0表示，即
进一步，所述控制器删除不满足用户速率需求的交换机节点，更新SDN网络连接图，具 体为若Vj不为数据流的候选交换机，即则从集合V中删除Vj，并从集合E中删除Eij及Ejk，其中，Vi,Vk为Vj的邻居节点，1≤i,j,k≤N,i≠j≠k。
进一步，所述建模路由选择与流分配标识，具体为：令及为流m的路由选择标识，若则表示流m在链路Eij上传输数据；令为流m的流分配标识，表示流m在链路Eij上传输的数据量。
进一步，所述用户流分配限定条件包括节点流守恒原则及链路容量限定条件。具体的，节点流守恒原则如下：
(1)对任意源节点Vs∈S，记该节点处输入输出的流量差等于源节点处产生的流量，即
(2)对任意中继节点Vj∈R，记该节点处输入输出的流量差为零，即中间节点不产生任何流量，表示为
(3)对任意目的节点Vd∈T，记该节点处输出输入的流量差等于用户接收的数据流量，即
进一步，所述任一Eij所承载的数据流量不能超过该链路的可用容量，即其中，θij表示Eij的链路利用率，Cij表示Eij的容量。
进一步，所述流传输时延函数建模为链路传输总时延，即令为流m在Eij上的传输时延，建模为其中，表示流m在Vi处的排队时延，表示流m在Eij上的发送时延。对分别建模如下：
(1)根据排队论，将交换机处理数据过程建模为M|M|1排队系统，可得其 中，μi表示Vi的服务率，λ表示数据流的到达率；
(2)建模为其中，表示Eij上传输流m的数据量，Rij表示Eij的可用速率。
进一步，所述SDN联合路由选择与流分配方法，其特征在于：控制器在满足路由选择流分配限定条件下，基于流传输时延函数最小化确定联合路由选择及流分配策略，即：
本发明综合考虑了用户的业务需求，交换机的传输速率及传输时延等信息，以传输时延优化为目标，实现SDN联合优化路由选择及流分配，能有效降低网络端到端时延、提升网络稳定性。
附图说明
图1-图3示出非限制性实施例，结合以下图1-图3的特定描述，对本发明做出更清楚的理解，其中：
图1所示为根据本发明实施例的示例性通信系统框图；
图2所示为根据本发明实施例的联合路由选择与流分配流程图；
图3所示为根据本发明实施例的应用联合路由选择与流分配方法的通信示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例，对依据本发明提出的一种软件定义网络的联合路由选择与流分配方法的具体实施方式、特征及其功效，详细说明如下。
SDN采用OpenFlow实现控制功能与转发功能的分离，由控制器完成网络的控制功能。OpenFlow交换机存储流表，以实现数据流的查找和转发。交换机通过OpenFlow协议经安全通道连接至外部控制器，对流表进行查询和管理。流表包括包头域(Header fields，匹配包头多个域)、活动计数器(Counters)、0个或多个执行行动(Actions)。OpenFlow交换机对数据流进行查找，若匹配，则执行相关策略，否则，通过安全通道将数据流转发到控制器，由控制器执行相应决策。
图1所示为根据本发明实施例的示例性通信系统框图。在该通信系统中，SDN控制平面 包含一个集中式控制器，其中，控制器包括Floodlight、OpenDaylight、NOX/POX、Ryu等多种类型的开源控制器；SDN数据平面包含多个分布式的转发设备，其中，转发设备可以是任何支持SDN协议的路由器、交换机、虚拟交换机等。
图2所示为本发明实施例的联合路由选择与流分配流程图。实施例中的方法包括以下步骤：
S201，SDN源交换机接收到数据流路由请求后，将路由请求消息转发至控制器；
S202，控制器调用相应模块获取SDN网络连接图；
S203，控制器执行候选交换机选择算法，确定候选交换机集合；
S204，控制器删除不满足用户需求的交换机和链路，更新SDN网络连接图；
S205，控制器建模路由选择与流分配标识；
S206，控制器确定联合路由选择与流分配限定条件；
S207，控制器建模流传输时延函数；
S208，控制器基于时延函数最小化确定联合路由选择与流分配策略，并更新路由表；
S209，SDN源交换机以及中继交换机根据流表对数据流进行转发，直至到达目的交换机。
图3所示为根据本发明实施例的应用联合路由选择与流分配方法的通信示意图，以下结合实施例对路由选择过程作具体说明：
(1)数据流向源交换机发送路由请求。
(2)源交换机SW1查找到本地流表中不存在匹配流表项，执行S201，向控制器C0发送路由请求消息。
(3)控制器C0执行S202，调用相应模块，获取SDN网络连接图G＝＜V,E＞，其中，节点V包括SW1，SW2，SW3，SW4，SW5和SW6，链路E包括E12,E14,E23，E25，E36，E43，E45和E56。
(4)C0执行S203和S204，假设SW2不满足用户最小速率需求，则SW1，SW3，SW4，SW5和SW6确定为候选交换机，链路E14，E36，E43，E45和E56确定为候选链路，并更新网络连接图G0＝＜V0,E0＞，其中V0是候选交换机集合，链路E0是候选链路集合。
(5)C0执行S205，建模路由选择与流分配标识，路由选择标识分别为和流分配标识分别为和
(6)C0执行S206和S207，确定路由选择及流分配限定条件，建模数据流在各链路传输的时延函数，分别为和则可得目标函数
7)C0执行步骤S208，可根据最小费用路算法确定路径E14-E43-E36和路径E14-E45-E56为联合路由选择与流分配最优路径，C0通知各候选交换机更新流表项，完成路由选择与流分配过程。

Claims (9)

1.一种软件定义网络联合路由选择与流分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，软件定义网络源交换机向软件定义网络控制器发送路由请求消息；
步骤2，软件定义网络控制器调用网络拓扑模块获取SDN网络连接图；
步骤3，软件定义网络控制器执行候选交换机选择算法，确定候选交换机集合；
步骤4，软件定义网络控制器删除不满足用户业务需求的中继交换机节点，更新SDN网络连接图；
步骤5，软件定义网络控制器建模路由选择与流分配标识；
步骤6，软件定义网络控制器确定路由选择及流分配限定条件，包括节点流守恒及链路容量限定条件；
步骤7，软件定义网络控制器建模数据流传输时延函数；
步骤8，软件定义网络控制器在满足流分配限定条件及用户需求等限定条件下，基于时延函数最小化确定联合路由选择及流分配策略，并更新路由流表；
步骤9，软件定义网络源交换机以及中继交换机根据流表项对数据流进行转发，直至到达目的交换机。
2.根据权利要求1所述的软件定义网络联合路由选择与流分配方法，其特征在于：步骤1中，所述路由请求消息包含数据流目的节点Vd，拟传输流量Sm，最低传输速率需求Rreq信息。
3.根据权利要求1所述的软件定义网络联合路由选择与流分配方法，其特征在于：步骤2中，所述SDN网络连接图具体为由网络节点及节点间链路构成的无向图G＝(V,E)，其中，V为网络中节点集合，共有N个交换机，包括源交换机、中继交换机以及目的交换机，令S＝{Vs}表示源交换机集合，Vs表示源交换机，T＝{Vd}表示目的交换机集合，R表示中继交换机集合，R＝{Vi,1≤i≤NR}，其中，Vi表示第i个交换机，NR为中继交换机数目，V＝S∪R∪T；E为链路集合，令Eij表示Vi与Vj之间链路，则
4.根据权利要求1所述的软件定义网络联合路由选择与流分配方法，其特征在于：步骤3中，所述候选交换机选择算法是指Vj可作为数据流候选交换机，仅当存在直传链路Eij，其可用速率Rij满足数据流最低速率需求，即Rij≥Rreq，其中，Rreq表示用户最低速率需求，且存在直传链路Ejk，其可用速率Rjk满足数据流最低速率需求，即Rjk≥Rreq；若Vj满足上述条件，则记入候选交换机集合，以V0表示，即
5.根据权利要求1所述的软件定义网络联合路由选择与流分配方法，其特征在于：步骤4中，所述软件定义网络控制器删除不满足用户速率需求的交换机节点，更新SDN网络连接图，具体为若Vj不为数据流的候选交换机，即则从集合V中删除Vj，并从集合E中删除Eij及Ejk，其中，Vi,Vk为Vj的邻居节点，1≤i,j,k≤N,i≠j≠k。
6.根据权利要求1所述的软件定义网络联合路由选择与流分配方法，其特征在于：步骤5中，所述建模路由选择与流分配标识，具体为：令及为流m的路由选择标识，若则表示流m在链路Eij上传输数据；令为流m的流分配标识，表示流m在链路Eij上传输的数据量。
7.根据权利要求1所述的软件定义网络联合路由选择与流分配方法，其特征在于：步骤6中，所述路由选择及流分配限定条件包括节点流守恒及链路容量限定条件，具体的，节点流守恒条件如下：
(1)对任意源节点Vs∈S，其输入输出的流量差等于源节点处产生的流量，即
(2)对任意中继节点Vj∈R，其输入输出的流量差为零，即中间节点不产生任何流量，表示为
(3)对任意目的节点Vd∈T，其节点处输出输入的流量差等于用户数据流量，即
链路容量限定条件即任一链路Eij所承载的数据流量不能超过该链路的可用容量，即其中，θij表示Eij的链路利用率，Cij表示Eij的容量。
8.根据权利要求1所述的软件定义网络联合路由选择与流分配方法，其特征在于：步骤7中流传输时延函数建模为各链路数据流传输总时延，即：其中，为流m在Eij上的传输时延，建模为其中，表示流m在Vi处的排队时延，表示流m在Eij上的发送时延。对 分别建模如下：
(1)根据排队论，将交换机处理数据过程建模为M|M|1排队系统，可得其中，μi表示Vi的服务率，λ表示数据包的到达率；
(2)建模为其中，表示Eij上传输流m的数据量，Rij表示Eij的可用速率。
9.根据权利要求1所述的软件定义网络联合路由选择与流分配方法，其特征在于：步骤8中，软件定义网络控制器在满足路由选择流分配限定条件下，基于流传输时延函数最小化确定联合路由选择及流分配策略，即：
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