CN106941456B - 一种软件定义网络中控制平面的负载均衡方法及系统 - Google Patents

一种软件定义网络中控制平面的负载均衡方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种软件定义网络中控制平面的负载均衡方法及系统，旨在通过对软件定义网络中数据平面发往控制平面请求流量的监测，动态调控控制平面与数据平面之间的连接关系，达到均衡软件定义网络中控制平面各个控制器负载的目的；具体为：一、通过控制器提供的应用程序接口将所需的监测流表下发至各个软件定义交换机中，并根据云平台运营商给定的监测参数对各个软件定义交换机进行实时监测，交换机通过OpenFlow协议将所收集的数据上传至控制平面；二、对收集到的监测数据进行处理分析，并确定控制平面控制器与数据平面交换机的连接关系，通过OpenFlow协议下发流表至各个交换机中，从而平衡控制各控制器负载，达到减小控制平面延迟的目的。

Description

一种软件定义网络中控制平面的负载均衡方法及系统
技术领域
本发明属于软件定义网络、数据中心领域技术领域，更具体地，涉及一种软件定义网络中控制平面的负载均衡方法及系统。
背景技术
随着数据中心网络对于动态管理、动态配置、动态扩容的需求与日俱增，传统网络无法满足其需求。在此环境下，软件定义网络应运而生。软件定义网络是一种能够向数据中心运营商提供便捷管理的新型网络构架。它旨在将网络交换设备的控制逻辑与数据转发逻辑分离，通过提供统一的管理接口，使得上层控制层面能够通过简单的抽象调用来控制底层的数据平面，从而使得网络管理者能够以更加程序化的方式初始化、控制及改变数据中心网络。
限于软件定义网络的部署需要集中化的控制，其被更多应用于数据中心网络环境中。针对数据中心网络流量大的特点，仅仅单个控制器无法满足对数据中心网络流量的处理。因此软件定义网络的控制平面往往由多个控制器所组成。相较于传统网络而言，交换设备的转发逻辑不再由分布式协议所确定，转而交付给集中式的控制平面来处理并设置转发流表。因此，相较于传统网络，软件定义网络的部署引入了额外的控制平面处理延时。然而数据中心网络流量在时间和空间上往往呈现出动态变化的特点，使得多个控制器的负载并不均衡，个别控制器成为热点，无法及时响应数据平面的请求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种软件定义网络中控制平面的负载均衡方法及系统，其目的在于均衡控制平面各个控制器负载，以减小控制平面响应时延。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种软件定义网络中控制平面的负载均衡方法，基于软件定义网络控制平面，包括如下步骤：
(1)根据网络管理者给定的测量参数将流表项下发至软件定义网络数据平面的网络转发设备，配置网络转发设备需要上传至控制平面的数据及频率；
(2)根据从数据平面所收集到的流量监控信息，获取各个网络转发设备对控制平面所产生的负载信息；以给定负载条件下各个控制平面控制器的响应时延最短为准则，确定控制平面和数据平面的最佳连接关系；根据该最佳连接关系来确定各个网络转发设备对应的主控制器。
优选地，上述的负载均衡方法，还包括如下步骤(3)，将上述最佳连接关系通过OpenFlow协议下发给数据平面的各个网络转发设备，由此减小控制平面处理时延。
优选地，上述的负载均衡方法，其测量参数包括监测数据项目和频率；若需测量的是网络转发设备向控制平面的请求数量，则将监测数据项目指定为Packet-In格式；若需测量的是网络转发设备各条流表(Flow Table)的流量，则监测数据项目中还需包括流表项；若需测量的是网络转发设备各组流表(Group Table)的流量，则监测数据项目中还需包括具体的组流表项；若所需测量的表项并不存在于网络转发设备中，则返回错误并反馈错误原因；若能够成功下发表项进行测量，则返回成功的指示信息；其中，Packet-in是OpenFlow协议中的一种数据包格式。
优选地，上述的负载均衡方法，其步骤(2)中，采用M/M/1队列模型来估算在给定的负载条件下，各个控制平面控制器的响应时延；根据稳定匹配理论通过定义数据平面转发设备与控制平面控制器之间的喜好程度关系来确定数据平面与控制平面的初始连接关系；根据合作博弈理论，以控制平面时延最小为目标来对初始连接关系进行优化，确定数据平面与控制平面的最佳连接关系；
其中，M/M/1队列模型是一种简单的单处理器排队理论模型，其请求到达数服从泊松分布，处理时间服从指数分布；稳定匹配理论是用于确定两个不相交的集合中各个元素之间的稳定匹配关系的方法，经典的稳态匹配理论采用Deferred AcceptanceAlgorithm(DAA)算法得到最终匹配关系；合作博弈理论通过定义如何衡量各个参与者的收益，从而确定最终决策达到此博弈的社会最优收益。
优选地，上述的负载均衡方法，其步骤(2)中，根据物理拓扑关系为数据平面的各转发设备配置多个控制器作为备选，据上述最佳连接关系来从备选的控制器确定各个网络转发设备对应的主控制器，由此满足容错的需求。
优选地，上述的负载均衡方法，可通过控制平面各控制器的应用程序接口将存在于数据平面各转发设备的流表表项发送给网络管理者，以便于网络管理者确定所需监测的表项。
优选地，上述的负载均衡方法，其步骤(2)包括如下子步骤：
(2.1)获取各个网络转发设备对控制平面所产生的负载信息，包括各个网络转发设备对控制平面的请求率Ri，各个控制器的处理能力Cj，各个转发设备和控制器之间的距离dij，以及转发设备i与控制器j之间的连接关系变量xij；其中，xij为1表示转发设备i与控制器j相连；xij为0表示转发设备i与控制器j未相连；
(2.2)根据转发设备与控制器之间相互的喜好程度参数Cj和Ri*dij，采用DeferredAcceptanceAlgorithm(DAA)算法得到数据平面的转发设备与控制平面的控制器之间的初始连接关系；
(2.3)根据合作博弈理论，以整个控制平面的处理延迟最小为准则，优化上述初始连接关系，获得转发设备与控制器之间的最佳连接关系；
控制器j的处理时延为整个控制平面的处理延迟优选为各个控制器时延的加权平均，即为
按照本发明的另一方面，提供了一种软件定义网络中控制平面的负载均衡系统，包括互连的监测数据收集模块和数据分析处理模块，
其中，监测数据收集模块设于控制平面，用于根据设定的监测参数，将流表项下发至软件定义网络数据平面的网络转发设备，配置其需要上传至控制平面的数据及频率；并收集数据平面对控制平面的处理请求流量信息；
该监测数据收集模块具有提供给网络管理者的接口，网络管理者可通过该接口来配置所需的监测参数，以对位于数据平面的各网络转发设备进行实时监测；位于数据平面的各网络转发设备通过OpenFlow协议将所收集的处理请求流量上传至监测数据收集模块；
数据分析处理模块设于控制平面，用于根据监测数据收集模块所收集到的处理请求流量，获取各个网络转发设备对控制平面所产生的负载信息；以给定负载条件下各个控制平面控制器的响应时延最短为准则，确定数据平面与控制平面连接关系；根据该连接关系来确定各个网络转发设备对应的主控制器；
数据分析处理模块将所获得的数据平面与控制平面连接关系通过OpenFlow协议以流表的形式下发至各个网络转发设备以确定数据平面的网络转发设备在控制平面对应的主控制器，从而均衡控制平面的各个控制器的负载，达到减小控制平面延迟的目的。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的软件定义网络中控制平面的负载均衡方法及系统，使用OpenFlow协议对数据平面进行主动监测，获取数据平面对控制平面的请求率等性能指标，通过对所收集的数据进行分析和计算，确定控制平面与数据平面的连接关系，从均衡控制平面中各个控制器的负载，达到减小控制平面响应时延的目的；
(2)本发明提供的软件定义网络中控制平面的负载均衡方法，基于M/M/1队列模型、稳定匹配理论及合作博弈理论，为软件定义网络中控制平面的部署，提供减少控制平面延迟的方式；由于本发明是针对于软件定义网络控制平面的负载均衡策略，可供云运营商网络管理者使用，配置需要监测的数据平面对控制平面所产生的负载，来自适应地决定数据平面与控制平面的连接关系；
(3)本发明提供的软件定义网络中控制平面的负载均衡系统，由于采用了监测数据收集模块并向网络管理者提供了监测相应表项的接口，网络管理者能够通过所需监测的表项来配置数据平面中的监测表，以此来更加有效的管理网络；并且，随着OpenFlow协议的进一步完善，越来越多的表项可以加入到此监测数据收集模块接口中，使得改模块具有向上兼容性以及向下兼容性；
(4)本发明提供的软件定义网络中控制平面的负载均衡系统，由于采用了数据分析处理模块，监测数据收集模块所收集到的数据通过数据处理模块，动态的调节数据平面与控制平面的连接关系；数据分析处理采用了M/M/1队列模型、稳定匹配理论以及合作博弈理论；由于采用了M/M/1队列模型，在监测得到的各个转发设备对控制平面产生负载的情况下，各个控制器的处理时延可以通过简单的数学模型抽象；
(5)本发明提供的软件定义网络中控制平面的负载均衡方法，由于采用了稳定匹配理论及合作博弈理论，不仅能够保证所得到的结果使得控制平面具有较低的处理时延，并且能够保证其收敛速度，使其能够适用于数据中心网络环境；
(6)本发明提供的软件定义网络中控制平面的负载均衡系统，由于采用了监测数据收集模块和数据分析模块分离的方式，使得云平台网络管理者有着较高的配置灵活性；一方面，监测数据收集模块可以根据云平台网络管理者的需求来指定检测数据的种类及频率；另一方面，数据分析模块采用的三种模型可替换为诸如M/G/1队列模型等其他模型，用于抽象各个控制器的处理时延。
附图说明
图1是本发明实施例提供的软件定义网络中控制平面负载均衡系统的示意图；
图2是本发明实施例提供的软件定义网络中控制平面负载均衡的部分流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明所提供的方法及系统，通过控制平面的控制器提供的应用程序接口将监测流表下发至位于数据平面各个网络转发设备中；通过对软件定义网络中数据平面发往控制平面流量的监测，动态调控控制平面与数据平面的连接关系，以此来平衡软件定义网络中控制平面各个控制器负载；
本发明实施例提供的软件定义网络中控制平面负载均衡系统，如图1中所示意的，基于软件定义网络中的控制平面，包括互连的监测数据收集模块和数据分析处理模块，
其中，监测数据收集模块设于控制平面，用于收集数据平面对控制平面的处理请求流量；
该监测数据收集模块具有提供给网络管理者的接口，网络管理者可通过此接口来配置所需的监测参数，以对位于数据平面的各网络转发设备进行实时监测；位于数据平面的网络转发设备通过OpenFlow协议将所收集的处理请求流量上传至监测数据收集模块；本实施例中，网络转发设备为软件定义网络交换机；
数据分析处理模块设于控制平面，对监测数据收集模块所收集到的一段时间内的处理请求流量获取处理请求速率；根据处理请求速率确定各个网络转发设备对控制平面所产生的负载；以给定负载条件下各个控制平面控制器的响应时延最短为准则，确定控制平面与数据平面的连接关系；
由软件定义网络中控制平面的控制器通过OpenFlow协议下发流表至数据平面的各网络转发设备中，网络转发设备通过流表中的表项决定其所连接的控制器，从而均衡控制平面的各个控制器的负载，达到减小控制平面延迟的目的。
以下结合具体实施例对本实施例提供的系统进一步阐述；
本实施例中，通过监测数据收集模块配置各项测量参数，包括监测数据项目和频率；若测量的是网络转发设备向控制平面的请求数量，则需指定为Packet-In；若测量的是网络转发设备各条流表(Flow Table)的流量，则还需具体指定流表项；若测量的是网络转发设备各组流表(Group Table)的流量，则还需指定具体的组流表项；若所需测量的表项并不存在于网络转发设备中，则返回错误并反馈错误原因；若能够成功下发表项进行测量，则返回成功的指示信息。
当数据平面成功接收所下发的表项后，开始对流经各个转发设备的流量进行监测；各个数据平面转发设备通过OpenFlow协议，以网络管理者预设的监测频率，将所监测到的数据流量发送给位于控制平面的监测数据收集模块，由监测数据收集模块将收集的信息发送给数据分析处理模块。
由于数据中心网络的物理拓扑结构基本上不会产生太大变化，各个转发设备与控制器之间的距离为dij；数据分析处理模块接收来自监测数据收集模块的数据，从中获得各个网络转发设备对控制平面的请求率Ri；
数据分析处理模块根据处理请求流量来确定数据平面与控制平面的连接关系；用变量xij来表示该连接关系，若变量xij为1，表示位于数据平面的转发设备i与位于控制平面的控制器j相连；若变量xij为0，则表示位于数据平面的转发设备i与位于控制平面的控制器j未相连。
数据分析处理模块具体根据如图2所示的流程来确定上述的连接关系；
(1)根据稳定匹配理论确定数据平面与控制平面的初始连接关系；定义数据平面转发设备与控制平面控制器之间相互的喜好程度分别为Cj和Ri*dij，采用DeferredAcceptance Algorithm(DAA)算法迭代得到数据平面与控制平面的初始连接关系；
(2)根据合作博弈理论，以整个控制平面的处理延迟最小为准则，优化上述初始连接关系，获得转发设备与控制器之间的最佳连接关系；
其中，控制器j的处理时延为整个控制平面的处理延迟为各个控制器时延的加权平均，即为
(3)将该优化连接关系通过OpenFlow协议下发给数据平面的各个网络转发设备，由此减小控制平面处理时延。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种软件定义网络中控制平面的负载均衡方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据网络管理者给定的测量参数将流表项下发至软件定义网络的数据平面的网络转发设备，配置所述网络转发设备需要上传至软件定义网络的控制平面的数据及频率；
(2)根据从数据平面所收集到的流量信息，获取数据平面的各个网络转发设备对控制平面所产生的负载；以给定负载条件下控制平面控制器的响应时延最短为准则，确定控制平面与数据平面的最佳连接关系；根据所述最佳连接关系来确定各个网络转发设备对应的主控制器；
所述步骤(2)包括如下子步骤：
(2.1)获取各个网络转发设备对控制平面所产生的负载信息，包括各个网络转发设备对控制平面的请求率Ri，各个控制器的处理能力Cj，各个转发设备和控制器之间的距离dij，以及转发设备i与控制器j之间的连接关系变量xij；
其中，xij为1表示转发设备i与控制器j相连；xij为0表示转发设备i与控制器j未相连；
(2.2)根据转发设备与控制器之间相互的喜好程度参数，采用DeferredAcceptanceAlgorithm算法得到数据平面的转发设备与控制平面的控制器之间的初始连接关系；
(2.3)根据合作博弈理论，以给定负载下整个控制平面的处理延迟最小为准则，优化所述初始连接关系，获得转发设备与控制器之间的最佳连接关系。
2.如权利要求1所述的负载均衡方法，其特征在于，还包括如下步骤：
(3)将所述最佳连接关系通过OpenFlow协议下发给数据平面的各个网络转发设备，建立数据平面的各网络转发设备与控制平面控制器的连接关系，减小控制平面处理时延。
3.如权利要求1或2所述的负载均衡方法，其特征在于，所述测量参数包括监测数据项目和频率；若需测量的是网络转发设备向控制平面的请求数量，则将监测数据项目指定为Packet-In格式；若需测量的是网络转发设备各条流表的流量，则监测数据项目中还需包括流表项；若需测量的是网络转发设备各组流表的流量，则监测数据项目中还需包括具体的组流表项；若所需测量的表项并不存在于网络转发设备中，则返回错误并反馈错误原因；若能够成功下发表项进行测量，则返回成功的指示信息；其中，Packet-in是OpenFlow协议中的一种数据包格式。
4.如权利要求1或2所述的负载均衡方法，其特征在于，所述步骤(2)中，采用M/M/1队列模型来估算在给定的负载条件下，控制平面各控制器的响应时延；根据稳定匹配理论通过定义数据平面转发设备与控制平面控制器之间的喜好程度关系来确定数据平面与控制平面的初始连接关系；根据合作博弈理论，以控制平面时延最小为目标来对初始连接关系进行优化，确定数据平面与控制平面的最佳连接关系。
5.如权利要求1或2所述的负载均衡方法，其特征在于，所述步骤(2)中，根据网络物理拓扑关系为数据平面的各网络转发设备配置多个控制器作为备选，据所述最佳连接关系来从备选的控制器确定各网络转发设备对应的主控制器，以满足容错的需求。
6.如权利要求1或2所述的负载均衡方法，其特征在于，通过控制平面各控制器的应用程序接口将存在于数据平面各网络转发设备的流表表项发送给网络管理者，以便于网络管理者确定所需监测的表项。
7.如权利要求1所述的负载均衡方法，其特征在于，整个控制平面的处理延迟为各个控制器时延的加权平均，即为
8.一种软件定义网络中控制平面的负载均衡系统，其特征在于，包括互连的监测数据收集模块和数据分析处理模块，
所述监测数据收集模块设于控制平面，用于根据设定的监测参数，将流表项下发至软件定义网络的数据平面的网络转发设备，配置网络转发设备需要上传至控制平面的数据及频率；并收集数据平面对控制平面的处理请求流量信息；
所述监测数据收集模块具有提供给网络管理者的接口，网络管理者可通过所述接口来配置监测参数，以对位于数据平面的各网络转发设备进行实时监测；所述数据分析处理模块设于控制平面，用于根据监测数据收集模块所收集到的处理请求流量，获取各个网络转发设备对控制平面所产生的负载信息；以给定负载条件下各个控制平面控制器的响应时延最短为准则，确定数据平面与控制平面连接关系；根据该连接关系来确定各个网络转发设备对应的主控制器；
其中，所述数据分析处理模块设于控制平面，用于根据监测数据收集模块所收集到的处理请求流量，获取各个网络转发设备对控制平面所产生的负载信息；以给定负载条件下各个控制平面控制器的响应时延最短为准则，确定数据平面与控制平面连接关系具体为：
获取各个网络转发设备对控制平面所产生的负载信息，包括各个网络转发设备对控制平面的请求率Ri，各个控制器的处理能力Cj，各个转发设备和控制器之间的距离dij，以及转发设备i与控制器j之间的连接关系变量xij；
其中，xij为1表示转发设备i与控制器j相连；xij为0表示转发设备i与控制器j未相连；
根据转发设备与控制器之间相互的喜好程度参数，采用DeferredAcceptanceAlgorithm算法得到数据平面的转发设备与控制平面的控制器之间的初始连接关系；
根据合作博弈理论，以给定负载下整个控制平面的处理延迟最小为准则，优化所述初始连接关系，获得转发设备与控制器之间的最佳连接关系。
9.如权利要求8所述的负载均衡系统，其特征在于，所述数据分析处理模块将所获得的数据平面与控制平面连接关系通过OpenFlow协议以流表的形式下发至各个网络转发设备以确定数据平面的网络转发设备在控制平面对应的主控制器，从而均衡控制平面的各个控制器的负载，达到减小控制平面延迟的目的。
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