CN106972964A - 一种sdn网络系统及其控制器故障的恢复方法 - Google Patents

一种sdn网络系统及其控制器故障的恢复方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供了一种SDN网络系统及其控制器故障的恢复方法，该系统包括多个控制器、交换机、数据共享中心，每个控制器控制对应域内的多个交换机；第一控制器从故障中恢复后，从数据共享中心获得本域的网络状态信息；然后向第二控制器发送开始迁移消息，第二控制器在迁移结束后向第一控制器发送结束迁移消息；第一控制器向本域内的所有交换机发送重新成为本域主控制器的消息，以使所有交换机将其重新作为主控制器；再向数据共享中心发送成为本域主控制器的消息，以使数据共享中心将其确定为该域的主控制器，实现SDN网络系统中主控制器的故障恢复。本发明实施例可满足多域控制器的一致性要求，提高控制器的利用率。

Description

一种SDN网络系统及其控制器故障的恢复方法
技术领域
本发明涉及网络虚拟化技术领域，特别是涉及一种SDN网络系统及其控制器故障的恢复方法。
背景技术
软件定义网络(SDN，Software Defined Network)是一种重要的新型网络技术。该技术将复杂的网络功能集中到一个中心化的控制器上，控制器拥有对整个SDN网络的宏观视角并提供可编程的接口来控制整个网络。控制器能够为交换机计算转发数据包或流所需要的流表项，而交换机则只需按照流表项对数据包或流进行转发。这样一来，交换机设备可以得到简化，节约设备开销，整个网络的可控制性和可管理性也得到了提高。
显而易见，控制器在SDN网络中扮演非常重要的角色，但当网络规模较大时，一个控制器可能会超负荷运转，导致其无法及时响应交换机的请求。解决这个问题的一个方法就是将大规模SDN网络划分成多个域，每个域有一个控制器。
多域SDN网络中最主要的问题就是如何保持各个控制器之间的一致性。由于网络中有多个控制器，每个控制器仅知道自己所在域的网络状态，当一个控制器从故障中恢复后，它无法直接控制其域内的交换机，因为它不知道当前网络状态，无法了解在它故障期间的网络变化，其余的控制器也不知道，该问题称为控制器一致性问题。
为解决该问题，文献《Ravana:Controller Fault-Tolerance in Software-Defined Networking》设计了一个具有容错机制的SDN控制器平台Ravana，Ravana在面对控制器崩溃时可以保证仅处理控制消息一次。Ravana采用复制状态机来复制控制消息的状态，同时添加一致性机制，用于保证交换机状态的一致性。这种方法是通过各个域的控制器之间的通信来进行控制器的备份或保持控制器的一致性，但是该方法不适用于大型网络拓扑，在大型网络拓扑中，控制器之间会频繁进行通信，导致控制器的计算能力下降，从而降低了网络的性能。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种SDN网络系统及其控制器故障的恢复方法，以满足多域控制器的一致性要求，提高控制器的利用率。具体技术方案如下：
为达到上述目的，本发明实施例公开了一种SDN网络系统，所述系统包括多个控制器、交换机、数据共享中心，每个控制器控制对应域内的多个交换机；其中，
第一控制器，用于从故障中恢复之后，向所述数据共享中心发送获得本域的网络状态信息的第一请求；
所述数据共享中心，用于接收所述第一控制器发送的获得该域的网络状态信息的第一请求；根据所述第一请求向所述第一控制器反馈该域的网络状态信息；
所述第一控制器，还用于接收所述数据共享中心反馈的本域的网络状态信息，向第二控制器发送开始迁移消息，其中，在所述第一控制器发生故障时，所述第二控制器被本域的交换机确定为主控制器以控制本域内的多个交换机，所述主控制器用于在本域的网络状态变化时向所述数据共享中心发送网络状态信息；
所述第二控制器，用于接收所述第一控制器发送的开始迁移消息，在迁移结束后，向所述第一控制器发送结束迁移消息；
所述第一控制器，还用于接收所述第二控制器发送的结束迁移消息，向本域内的所有交换机发送重新成为主控制器消息；
所述交换机，用于接收所述第一控制器发送的重新成为主控制器消息，将所述第一控制器重新作为主控制器，并向所述第一控制器发送确认消息；
所述第一控制器，还用于接收所述交换机发送的确认消息，向所述数据共享中心发送成为本域主控制器的消息；
所述数据共享中心，还用于接收所述第一控制器发送的成为该域主控制器的消息，将所述第一控制器确定为该域主控制器，向所述第一控制器发送确认消息；存储每个主控制器在本域的网络状态变化时发送的网络状态信息；
所述第一控制器，还用于接收所述数据共享中心发送的确认消息，重新成为本域主控制器。
可选的，所述网络状态信息包括：域内网络拓扑信息、域内链路信息和域间链路信息；
其中，所述域内网络拓扑信息至少包括：域ID、该域的第一控制器、该域内的交换机、该域内的链路和该域的第二控制器；
所述域内链路信息至少包括：域ID、该域内的链路、各个链路的时延和各个链路的带宽；
所述域间链路信息至少包括：域间ID、该域间的链路、各个链路的时延和各个链路的带宽。
可选的，所述第二控制器是由所述数据共享中心确定并反馈给对应域的第一控制器、再由第一控制器反馈给本域内的各个交换机的；
所述交换机，还用于在所述第一控制器发生故障时，从所述第二控制器中确定目标第二控制器，向所述目标第二控制器发送成为主控制器的消息；
所述目标第二控制器，还用于接收所述交换机发送的成为主控制器的消息，向所述数据共享中心发送获得本域的网络状态信息的第二请求；
所述数据共享中心，还用于接收所述目标第二控制器发送的获得该域的网络状态信息的第二请求；根据所述第二请求向所述目标第二控制器反馈该域的网络状态信息；
所述目标第二控制器，还用于接收所述数据共享中心反馈的本域的网络状态信息，向本域内所有交换机发送主控制器角色转换消息；
所述交换机，还用于接收所述目标第二控制器发送的主控制器角色转换消息，将所述目标第二控制器作为主控制器，并向所述目标第二控制器发送确认消息；
所述目标第二控制器，还用于接收所述交换机发送的确认消息，向所述数据共享中心发送成为本域主控制器的消息；
所述数据共享中心，还用于接收所述目标第二控制器发送的成为该域主控制器的消息，将所述目标第二控制器作为该域主控制器，向所述目标第二控制器发送确认消息；
所述目标第二控制器，还用于接收所述数据共享中心发送的确认消息，成为本域主控制器。
可选的，所述数据共享中心，还用于对每个域，确定与该域中各个交换机的最短时延之和最小的节点，并将该节点确定为该域的第二控制器。
可选的，所述数据共享中心位于所述SDN网络系统中的目标节点上，其中，所述目标节点是所述SDN网络系统中与各个域的第一控制器所在节点的最短时延之和最小的节点。
为达到上述目的，本发明实施例还公开了一种SDN网络系统中控制器故障的恢复方法，应用于上述SDN网络系统，所述方法包括：
在第一控制器从故障中恢复后，所述第一控制器向所述数据共享中心发送获得本域的网络状态信息的第一请求；
所述数据共享中心根据所述第一请求向所述第一控制器反馈该域的网络状态信息；
所述第一控制器在接收到本域的网络状态信息后，向第二控制器发送开始迁移消息，其中，在所述第一控制器发生故障时，所述第二控制器被本域的交换机确定为主控制器以控制本域内的多个交换机，所述主控制器用于在本域的网络状态变化时向所述数据共享中心发送网络状态信息；
所述第二控制器在迁移结束后，向所述第一控制器发送结束迁移消息；
所述第一控制器向本域内的所有交换机发送重新成为本域主控制器的消息；
所有交换机将所述第一控制器重新作为主控制器，并向所述第一控制器发送确认消息；
所述第一控制器在接收到所有交换机发送的确认消息后，向所述数据共享中心发送成为本域主控制器的消息；
所述数据共享中心将所述第一控制器确定为该域主控制器，并向所述第一控制器发送确认消息，其中，所述数据共享中心用于存储每个主控制器在本域的网络状态变化时发送的网络状态信息；
所述第一控制器接收到所述数据共享中心发送的确认消息后，重新成为本域主控制器，实现所述SDN网络系统中主控制器的故障恢复。
可选的，所述网络状态信息包括：域内网络拓扑信息、域内链路信息和域间链路信息；
其中，所述域内网络拓扑信息至少包括：域ID、该域的第一控制器、该域内的交换机、该域内的链路和该域的第二控制器；
所述域内链路信息至少包括：域ID、该域内的链路、各个链路的时延和各个链路的带宽；
所述域间链路信息至少包括：域间ID、该域间的链路、各个链路的时延和各个链路的带宽。
可选的，所述第二控制器是由所述数据共享中心确定并反馈给对应域的第一控制器、再由第一控制器反馈给本域内的各个交换机的；
所述方法还包括：
在所述第一控制器发生故障时，所述交换机从所述第二控制器中确定目标第二控制器，向所述目标第二控制器发送成为主控制器的消息；
所述目标第二控制器向所述数据共享中心发送获得本域的网络状态信息的第二请求；
所述数据共享中心根据所述第二请求向所述目标第二控制器反馈该域的网络状态信息；
所述目标第二控制器在接收所述数据共享中心反馈的本域的网络状态信息后，向本域内所有交换机发送主控制器角色转换消息；
所有交换机在接收到所述目标第二控制器发送的主控制器角色转换消息后，将所述目标第二控制器作为主控制器，并向所述目标第二控制器发送确认消息；
所述目标第二控制器在接收到所有交换机发送的确认消息后，向所述数据共享中心发送成为本域主控制器的消息；
所述数据共享中心在接收到所述目标第二控制器发送的成为该域主控制器的消息后，将所述目标第二控制器作为该域主控制器，向所述目标第二控制器发送确认消息；
所述目标第二控制器在接收到所述数据共享中心发送的确认消息后，成为本域主控制器。
可选的，所述方法还包括：
对每个域，所述数据共享中心确定与该域中各个交换机的最短时延之和最小的节点，并将该节点确定为该域的第二控制器。
可选的，所述数据共享中心位于所述SDN网络系统中的目标节点上，其中，所述目标节点是所述SDN网络系统中与各个域的第一控制器所在节点的最短时延之和最小的节点。
本发明实施例提供的一种SDN网络系统及其控制器故障的恢复方法，在SDN网络系统中部署数据共享中心，数据共享中心存储了每个域的主控制器在本域的网络状态变化时发送的网络状态信息，在第一控制器从故障中恢复后，可以从数据共享中心获得本域的网络状态信息，这样，第一控制器就可以重新成为本域的主控制器。
与现有技术相比，本发明实施例提供的方案，由于不需要通过控制器之间的通信来获得本域的网络状态信息，就可以实现控制器的一致性，因此，减少了多域SDN网络中控制器之间的通信，降低了控制器用于通信的开销，提高了控制器的利用率，提升了网络性能。
当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种SDN网络系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种SDN网络系统中控制器故障的恢复方法的交互示意图；
图3为本发明实施例提供的一个基于数据共享中心的多域SND网络系统架构的逻辑图；
图4为本发明实施例提供的方法与基于SDN控制器之间通信的方法在不同个数域的网络环境中平均通信次数的对比图；
图5为采用本发明实施例提供的方法监测到的ICMP序列号的时延图；
图6为本发明实施例提供的方法与随机选取节点放置数据共享中心的方法在不同个数域的网络环境中控制器与数据共享中心交互信息的时延总和的对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种SDN网络系统及其控制器故障的恢复方法，下面通过具体实施例，对本发明进行详细说明。
图1为本发明实施例提供的一种SDN网络系统的结构示意图，如图1所示：
该系统包括多个控制器、交换机、数据共享中心，每个控制器控制对应域内的多个交换机；其中，
第一控制器102，用于从故障中恢复之后，向数据共享中心101发送获得本域的网络状态信息的第一请求；
数据共享中心101，用于接收第一控制器102发送的获得该域的网络状态信息的第一请求；根据第一请求向第一控制器102反馈该域的网络状态信息；
第一控制器102，还用于接收数据共享中心101反馈的本域的网络状态信息，向第二控制器103发送开始迁移消息，其中，在第一控制器102发生故障时，第二控制器103被本域的交换机104确定为主控制器以控制本域内的多个交换机104，主控制器用于在本域的网络状态变化时向数据共享中心101发送网络状态信息；
第二控制器103，用于接收第一控制器102发送的开始迁移消息，在迁移结束后，向第一控制器102发送结束迁移消息；
第一控制器102，还用于接收第二控制器103发送的结束迁移消息，向本域内的所有交换机104发送重新成为主控制器消息；
交换机104，用于接收第一控制器102发送的重新成为主控制器消息，将第一控制器102重新作为主控制器，并向第一控制器102发送确认消息；
第一控制器102，还用于接收交换机104发送的确认消息，向数据共享中心101发送成为本域主控制器的消息；
数据共享中心101，还用于接收第一控制器102发送的成为该域主控制器的消息，将第一控制器102确定为该域主控制器，向第一控制器102发送确认消息；存储每个主控制器在本域的网络状态变化时发送的网络状态信息；
第一控制器102，还用于接收数据共享中心101发送的确认消息，重新成为本域主控制器。
实际应用中，上述网络状态信息可以包括：域内网络拓扑信息、域内链路信息和域间链路信息；
其中，域内网络拓扑信息至少可以包括：域ID、该域的第一控制器、该域内的交换机、该域内的链路和该域的第二控制器；
域内链路信息至少可以包括：域ID、该域内的链路、各个链路的时延和各个链路的带宽；
域间链路信息至少可以包括：域间ID、该域间的链路、各个链路的时延和各个链路的带宽。
实际应用中，一个域的第二控制器103可以由数据共享中心101确定并反馈给对应域的第一控制器102、再由第一控制器102反馈给本域内的各个交换机104。
因此，交换机104，还用于在第一控制器102发生故障时，从第二控制器103中确定目标第二控制器，向目标第二控制器发送成为主控制器的消息；
目标第二控制器，还用于接收交换机104发送的成为主控制器的消息，向数据共享中心101发送获得本域的网络状态信息的第二请求；
数据共享中心101，还用于接收目标第二控制器发送的获得该域的网络状态信息的第二请求；根据第二请求向目标第二控制器反馈该域的网络状态信息；
目标第二控制器，还用于接收数据共享中心101反馈的本域的网络状态信息，向本域内所有交换机104发送主控制器角色转换消息；
交换机104，还用于接收目标第二控制器发送的主控制器角色转换消息，将目标第二控制器作为主控制器，并向目标第二控制器发送确认消息；
目标第二控制器，还用于接收交换机104发送的确认消息，向数据共享中心101发送成为本域主控制器的消息；
数据共享中心101，还用于接收目标第二控制器发送的成为该域主控制器的消息，将目标第二控制器作为该域主控制器，向目标第二控制器发送确认消息；
目标第二控制器，还用于接收数据共享中心101发送的确认消息，成为本域主控制器。
实际应用中，数据共享中心101，还用于：对每个域，确定与该域中各个交换机104的最短时延之和最小的节点，并将该节点确定为该域的第二控制器103。
实际应用中，数据共享中心101可以位于SDN网络系统中的目标节点上，其中，目标节点是SDN网络系统中与各个域的第一控制器102所在节点的最短时延之和最小的节点。
综上，本实施例提供的一种SDN网络系统，在SDN网络系统中部署数据共享中心，数据共享中心存储了每个域的主控制器在本域的网络状态变化时发送的网络状态信息，在第一控制器从故障中恢复后，可以从数据共享中心获得本域的网络状态信息，这样，第一控制器就可以重新成为本域的主控制器。
与现有技术相比，本实施例提供的方案，由于不需要通过控制器之间的通信来获得本域的网络状态信息，就可以实现控制器的一致性，因此，减少了多域SDN网络中控制器之间的通信，降低了控制器用于通信的开销，提高了控制器的利用率，提升了网络性能。
与上述的一种SDN网络系统相对应，本发明实施例还提供了一种SDN网络系统中控制器故障的恢复方法。
图2为本发明实施例提供的一种SDN网络系统中控制器故障的恢复方法的交互示意图，如图2所示：该方法应用于图1所示的SDN网络系统，可以包括：
S201，在第一控制器102从故障中恢复后，第一控制器102向数据共享中心101发送获得本域的网络状态信息的第一请求；
S202，数据共享中心101根据第一请求向第一控制器102反馈该域的网络状态信息；
S203，第一控制器102在接收到本域的网络状态信息后，向第二控制器103发送开始迁移消息，其中，在第一控制器102发生故障时，第二控制器103被本域的交换机104确定为主控制器以控制本域内的多个交换机104，主控制器用于在本域的网络状态变化时向数据共享中心101发送网络状态信息；
S204，第二控制器103在迁移结束后，向第一控制器102发送结束迁移消息；
S205，第一控制器102向本域内的所有交换机104发送重新成为本域主控制器的消息；
S206，所有交换机104将第一控制器102重新作为主控制器，并向第一控制器102发送确认消息；
S207，第一控制器102在接收到所有交换机104发送的确认消息后，向数据共享中心101发送成为本域主控制器的消息；
S208，数据共享中心101将第一控制器102确定为该域主控制器，并向第一控制器102发送确认消息，其中，数据共享中心101用于存储每个主控制器在本域的网络状态变化时发送的网络状态信息；
S209，第一控制器102接收到数据共享中心101发送的确认消息后，重新成为本域主控制器，实现SDN网络系统中主控制器的故障恢复。
具体的，上述网络状态信息可以包括：域内网络拓扑信息、域内链路信息和域间链路信息；
其中，域内网络拓扑信息至少可以包括：域ID、该域的第一控制器、该域内的交换机、该域内的链路和该域的第二控制器；
域内链路信息至少可以包括：域ID、该域内的链路、各个链路的时延和各个链路的带宽；
域间链路信息至少可以包括：域间ID、该域间的链路、各个链路的时延和各个链路的带宽。
图3为本发明实施例提供的一个基于数据共享中心的多域SDN网络系统架构的逻辑图。如图3所示的SDN网络系统中包含2个域：DomainID1和DomainID2，其中，DomainID1域内的交换机有S11、S12、S13、S14，DomainID2域内的交换机有S21、S22、S23、S24。
本领域技术人员可以理解的是，SDN网络系统中的控制器，可以理解为一个不同于交换机的、具有控制功能的独立设备，也可以理解为在交换机中部署虚拟程序以使该交换机同时具有控制器的功能，都是合理的，本实施例对此不做限定。为便于理解，本实施例中的控制器理解为：交换机中部署虚拟程序以使该交换机同时具有控制器的功能。
每个域有对应的控制器来控制本域内的多个交换机，其中控制器分为第一控制器和第二控制器。在实际应用中，可以设置第一控制器为对应域的主控制器，第二控制器为对应域的备份控制器，当第一控制器处于正常状态时，由第一控制器控制对应域内的各个交换机，当第一控制器发生故障后，由第二控制器作为主控制器，代替原来的主控制器控制各个交换机，当第一控制器从故障中恢复后，重新成为主控制器控制对应域内的各个交换机。
数据共享中心可以与各个域的控制器通信。数据共享中心包含每个域的网络状态信息，这说明数据共享中心了解全网的状态。当一个域中的主控制器需要全网信息用于转发数据包时，主控制器会向数据共享中心发送一个请求消息，然后数据共享中心会告诉它全网的信息，主控制器可根据这些信息计算转发数据包的流表项。当一个主控制器发现本域的网络状态变化后，它立刻向数据共享中心反馈本域的网络状态信息，或者每隔预设时间向数据共享中心反馈本域的网络状态信息，以保证数据共享中心保持的信息是当前网络状态，其中，主控制器可以以网络状态更新包的形式向数据共享中心反馈本域的网络状态信息。需要说明的是，一个域的网络状态发生变化有多种情况，例如，交换机转发数据包导致本域内和/或域间的链路时延和/或带宽发生变化、域内交换机发生故障等等。
在图3所示的系统中，数据共享中心中存储的网络状态信息可以包括：
其中，第一行表示每个域中的网络拓扑信息，包括该域的域ID(DomainID)、该域的第一控制器(Master-Controller)、交换机(Switch)、链路(Link)以及第二控制器(Backup-Controller)，其数据结构如表1所示；
表1
第二行表示每个域的链路信息，包括该域的域ID(DomainID)、该域内的链路(Link)、每条链路的时延(Delay)、带宽(bandwidth)等信息，用于计算数据包的域内转发路径，其数据结构如表2所示；
表2
第三行表示域间链路的信息，包括两个域的域间ID(inter-DomainID)、两个域的域间链路(Link)、每条链路的时延(Delay)、带宽(bandwidth)等信息，用于计算数据包的域间转发路径，其数据结构信息如表3所示：
表3
实际应用中，一个域的第二控制器103可以由数据共享中心101确定并反馈给对应域的第一控制器102、再由第一控制器102反馈给本域内的各个交换机104。一个域的第二控制器103可以位于本域内，也可以位于其它域内，本实施例对此不做限定。
例如，在数据共享中心101内部可以设置一个计算模块，用于：对每个域，确定与该域中各个交换机104的最短时延之和最小的节点，并将该节点确定为该域的第二控制器103。
以图3为例，由于交换机S12所在节点为DomainID1的第一控制器，在确定DomainID1的备份控制器时，可以不考虑该节点。因此，对于DomainID1，确定与该域中各个交换机的最短时延之和最小的节点，例如，分别计算S11与S12、S13、S14的最短时延之和，S13与S11、S12、S14的最短时延之和，S14与S11、S12、S13的最短时延之和，S21与S11、S12、S13、S14的最短时延之和，S22与S11、S12、S13、S14的最短时延之和，S23与S11、S12、S13、S14的最短时延之和，S24与S11、S12、S13、S14的最短时延之和。如果S22与S11、S12、S13、S14的最短时延之和最小，则将S22确定为DomainID1的备份控制器，在交换机S22上部署虚拟程序以使S22同时具有控制器功能。
可以理解的，由于两个节点之间可能有多条路径，例如，S11与S14之间有直连路径<S11，S14>，也包括多条非直连路径，如<S11，S13，S14>、<S11，S12，S14>等，<S11，S12，S13，S14>等，而每条路径对应一个时延之和，因此，两个节点之间具有一个最短的时延之和。
实际应用中，为避免一个备份控制器发生故障而无其他备份控制器可用的问题，数据共享中心101还可以为每个域设置多个备份控制器。具体的，对每个域，根据与该域中各个交换机的时延之和，对各个节点进行排序，将时延之和最小的预设数量个节点都确定为该域的第二控制器103。
数据共享中心101在确定出各个域的第二控制器103后，将各个域的第二控制器103的信息下发给对应域的第一控制器102，第一控制器102再通知给其管制的各个交换机104，因此每个交换机104都知道自身所对应的第二控制器103。
因此，该方法还可以包括主备切换的过程，具体的；
在第一控制器102发生故障时，交换机104从第二控制器103中确定目标第二控制器，向目标第二控制器发送成为主控制器的消息；
目标第二控制器向数据共享中心101发送获得本域的网络状态信息的第二请求；
数据共享中心101根据第二请求向目标第二控制器反馈该域的网络状态信息；
目标第二控制器在接收数据共享中心101反馈的本域的网络状态信息后，向本域内所有交换机104发送主控制器角色转换消息；
所有交换机104在接收到目标第二控制器发送的主控制器角色转换消息后，将目标第二控制器作为主控制器，并向目标第二控制器发送确认消息；
目标第二控制器在接收到所有交换机104发送的确认消息后，向数据共享中心101发送成为本域主控制器的消息；
数据共享中心101在接收到目标第二控制器发送的成为本域主控制器的消息后，将目标第二控制器作为该域主控制器，向目标第二控制器发送确认消息；
目标第二控制器在接收到数据共享中心101发送的确认消息后，成为本域主控制器。
可以理解的，当第一控制器102发生故障后，为了保证网络的正常运行，可以由第二控制器103作为主控制器，代替原来的主控制器控制各个交换机104，实现控制平面的故障恢复。例如，可以按照以下3个步骤完成故障恢复：
步骤1：当域A中一个交换机检测到本域的主控制器C’故障后，该交换机在本域的备份控制器中，寻找第一个可用的备份控制器C，然后告诉备份控制器C需要成为本域的新主控制器；
步骤2：当备份控制器C收到交换机的消息后，备份控制器C向数据共享中心发送一个信息请求，来获得本域A的所有网络状态信息，然后给本域A中的所有交换机发送主控制器角色转换role-request消息，告诉给本域中的所有交换机将备份控制器C作为新的主控制器，完成角色转换；
步骤3：本域中每个交换机通过角色转换确认role-reply消息响应备份控制器C，将备份控制器C作为主控制器，然后交换机可以将新的数据包转发到新的主控制器上；最后备份控制器发送成为本域主控制器的域修改domainID-mod消息给数据共享中心，使数据共享中心将备份控制器C作为该域的主控制器，数据共享中心回复确认。
实际应用中，当原主控制器发生故障时，备份控制器成为新主控制器，控制本域内的交换机，这个过程可以称之为控制器的故障恢复；当原主控制器从故障中恢复后，会重新成为主控制器，控制本域内的交换机，这个过程可以称之为控制器的故障修复。
当原主控制器重新可用后，由于它不知道故障期间的网络变化，因此不能直接控制交换机，除非再次获得各个交换机当前的网络状态。为了避免不必要的网络开销，本实施例采用了数据共享中心来实时存储网络状态信息。当原主控制器恢复后，它需要从数据共享中心获得本域当前的网络状态。
例如，控制器C’是域A的原主控制器，但它发生故障后，备份控制器C成为主控制器。当控制器C’重新可用后，可以按下述步骤完成故障修复：
步骤1：控制器C’向数据共享中心发送domainID-request请求，用于获得该区域的网络状态，然后数据中心响应其需求，发送网络状态信息；
步骤2：控制器C’向控制器C发送一个开始迁移start-migration的消息，通知其进入迁移状态；然后控制器C向交换机发送一个请求阻碍barrier-request消息，让交换机暂停向控制器C发送请求；交换机回复这个请求，并且暂停向控制器C发送消息；当控制器C处理完之前收到的所有请求后，将流修改flow-mod消息发送到对应的交换机，这些交换机用flow-mod-reply回复该消息；当控制器C处理完所有的请求后，发送一个结束迁移end-migration的请求给控制器C’；
步骤3：控制器C’发送请求成为主控制器的role-request-master消息给交换机，以使交换机改变其主控制器，然后交换机回复role-request-reply消息，将控制器C’作为主控制器，然后交换机可以将新的数据包转发到控制器C’上；最后，控制器C’发送域修改domainID-mod消息给数据共享中心，使数据共享中心将控制器C’作为该域的主控制器，数据共享中心回复确认。
实际应用中，数据共享中心101可以位于SDN网络系统中的目标节点上，其中，目标节点是SDN网络系统中与各个域的第一控制器102所在节点的最短时延之和最小的节点。下面将介绍如何基于低时延部署数据共享中心101。
例如，整个SDN网络系统可以表示为一个加权无向图G＝(N，E)，其中N表示所有节点的集合，E表示所有链路的集合，权值表示该链路的传输时延。对每个节点，利用Dijkstra(迪杰斯特拉)算法可以计算该节点到各个域的第一控制器102所在节点的最短时延之和，从而找到最短时延之和最小的节点，其具体步骤如下：
步骤S1：开始整个流程；
步骤S2：确定SDN网络系统的网络拓扑图G，N表示节点集合，E表示链路集合，V是空集，初始值min为无穷大；
步骤S3：任取N-V集合中的一个顶点i，利用Dijkstra算法计算其到各个域的第一控制器所在节点的最短时延之和sum；
步骤S4：比较sum与min的大小；如果sum小于min，执行步骤S5；如果sum不小于min，直接执行步骤S6；
步骤S5：min被赋值为sum，将O赋值为i，执行步骤S6；
步骤S6：将节点i加入到集合V；
步骤S7：判断集合N和V是否相等，如果集合N和V不相等，返回执行步骤S3；如果集合N和V相等，执行步骤S8；
步骤S8：输出O，O点即为数据共享中心的放置位置；
步骤S9：结束整个流程。
进一步的，为了提高数据共享中心101的可靠性，还可以采用热备份机制来保证网络的可靠性，即部署两个数据共享中心101，其中一个为主数据共享中心，负责与主控制器通信，存储主控制器反馈的网络状态信息，另一个为备份数据共享中心，负责实时备份数据。当主数据共享中心故障后，备份数据共享中心可以用于与控制器通信，保证网络性能不会因此而下降。基于低时延放置数据共享中心，即在给定的网络拓扑图中，选出两个合适节点，在其上部署数据共享中心，使其到各个域的第一控制器所在节点的最短时延之和最小。具体的，可以将最短时延之和最小的两个节点作为主数据共享中心和备份数据共享中心。
综上，本实施例提供的一种SDN网络系统中控制器故障的恢复方法，在SDN网络系统中部署数据共享中心，数据共享中心存储了每个域的主控制器在本域的网络状态变化时发送的网络状态信息，在第一控制器从故障中恢复后，可以从数据共享中心获得本域的网络状态信息，这样，第一控制器就可以重新成为本域的主控制器。
与现有技术相比，本实施例提供的方案，由于不需要通过控制器之间的通信来获得本域的网络状态信息，就可以实现控制器的一致性，因此，减少了多域SDN网络中控制器之间的通信，降低了控制器用于通信的开销，提高了控制器的利用率，提升了网络性能。
进一步的，本实施例提供的方案还具有以下优点：1、在满足控制器到数据共享中心的低时延情况下部署数据共享中心，同时采用热备份机制，使网络具有更好的可靠性；2、可以适用于大规模的多域SDN网络，使其不会因网络规模增加而导致网络性能下降。
下面通过实验对本发明实施例提供的方案进行说明。
首先使用拓扑生成器随机生成多域拓扑进行仿真实验，将本发明实施例所提供的方法(DSC)和基于SDN控制器之间通信的方法(COC)进行比较，具体的，可以比较这两种方法在不同个数域的网络环境中所需的平均通信次数。DSC的通信次数指控制器与数据共享中心交换的请求消息次数，COC的通信次数指控制器与控制器之间的交换信息次数，为保证实验的准确性，本实验统计了同一时间段内同一拓扑下的两种方法的平均通信次数，结果如图4所示。可见，在相同的网络环境中，当域的个数较少时，这两种方法的平均通信次数相差不大，当域的个数较多时，DSC方法的平均通信次数明显低于COC方法。
为了验证本发明实施例的可用性，可以通过监测ICMP(Internet ControlMessages Protocol，因特网信报控制协议)的序列号，来判断当故障发生时是否能成功完成控制器的迁移。图5为监测到的ICMP序列号的时延，可以发现当故障发生时，监测到下一个数据包的时延较长，但没有丢包，说明本发明实施例提供的方案是可行的。
为了验证本发明实施例中数据共享中心放置方法的可靠性，可以通过比较本发明实施例提供的方法(DSC)和随机选取节点放置数据共享中心的方法(Random)在控制器与数据共享中心交互信息的时延总和，来比较两种方法，如图6所示，可见，DSC方法在控制器与数据共享中心交互信息的时延总和小于Random方法。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种SDN网络系统，其特征在于，所述系统包括多个控制器、交换机、数据共享中心，每个控制器控制对应域内的多个交换机；其中，
第一控制器，用于从故障中恢复之后，向所述数据共享中心发送获得本域的网络状态信息的第一请求；
所述数据共享中心，用于接收所述第一控制器发送的获得该域的网络状态信息的第一请求；根据所述第一请求向所述第一控制器反馈该域的网络状态信息；
所述第一控制器，还用于接收所述数据共享中心反馈的本域的网络状态信息，向第二控制器发送开始迁移消息，其中，在所述第一控制器发生故障时，所述第二控制器被本域的交换机确定为主控制器以控制本域内的多个交换机，所述主控制器用于在本域的网络状态变化时向所述数据共享中心发送网络状态信息；
所述第二控制器，用于接收所述第一控制器发送的开始迁移消息，在迁移结束后，向所述第一控制器发送结束迁移消息；
所述第一控制器，还用于接收所述第二控制器发送的结束迁移消息，向本域内的所有交换机发送重新成为主控制器消息；
所述交换机，用于接收所述第一控制器发送的重新成为主控制器消息，将所述第一控制器重新作为主控制器，并向所述第一控制器发送确认消息；
所述第一控制器，还用于接收所述交换机发送的确认消息，向所述数据共享中心发送成为本域主控制器的消息；
所述数据共享中心，还用于接收所述第一控制器发送的成为该域主控制器的消息，将所述第一控制器确定为该域主控制器，向所述第一控制器发送确认消息；存储每个主控制器在本域的网络状态变化时发送的网络状态信息；
所述第一控制器，还用于接收所述数据共享中心发送的确认消息，重新成为本域主控制器。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述网络状态信息包括：域内网络拓扑信息、域内链路信息和域间链路信息；
其中，所述域内网络拓扑信息至少包括：域ID、该域的第一控制器、该域内的交换机、该域内的链路和该域的第二控制器；
所述域内链路信息至少包括：域ID、该域内的链路、各个链路的时延和各个链路的带宽；
所述域间链路信息至少包括：域间ID、该域间的链路、各个链路的时延和各个链路的带宽。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二控制器是由所述数据共享中心确定并反馈给对应域的第一控制器、再由第一控制器反馈给本域内的各个交换机的；
所述交换机，还用于在所述第一控制器发生故障时，从所述第二控制器中确定目标第二控制器，向所述目标第二控制器发送成为主控制器的消息；
所述目标第二控制器，还用于接收所述交换机发送的成为主控制器的消息，向所述数据共享中心发送获得本域的网络状态信息的第二请求；
所述数据共享中心，还用于接收所述目标第二控制器发送的获得该域的网络状态信息的第二请求；根据所述第二请求向所述目标第二控制器反馈该域的网络状态信息；
所述目标第二控制器，还用于接收所述数据共享中心反馈的本域的网络状态信息，向本域内所有交换机发送主控制器角色转换消息；
所述交换机，还用于接收所述目标第二控制器发送的主控制器角色转换消息，将所述目标第二控制器作为主控制器，并向所述目标第二控制器发送确认消息；
所述目标第二控制器，还用于接收所述交换机发送的确认消息，向所述数据共享中心发送成为本域主控制器的消息；
所述数据共享中心，还用于接收所述目标第二控制器发送的成为该域主控制器的消息，将所述目标第二控制器作为该域主控制器，向所述目标第二控制器发送确认消息；
所述目标第二控制器，还用于接收所述数据共享中心发送的确认消息，成为本域主控制器。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，
所述数据共享中心，还用于对每个域，确定与该域中各个交换机的最短时延之和最小的节点，并将该节点确定为该域的第二控制器。
5.根据权利要求1-4任一项所述的系统，其特征在于，
所述数据共享中心位于所述SDN网络系统中的目标节点上，其中，所述目标节点是所述SDN网络系统中与各个域的第一控制器所在节点的最短时延之和最小的节点。
6.一种SDN网络系统中控制器故障的恢复方法，其特征在于，应用于权利要求1所述的SDN网络系统，所述方法包括：
在第一控制器从故障中恢复后，所述第一控制器向所述数据共享中心发送获得本域的网络状态信息的第一请求；
所述数据共享中心根据所述第一请求向所述第一控制器反馈该域的网络状态信息；
所述第一控制器在接收到本域的网络状态信息后，向第二控制器发送开始迁移消息，其中，在所述第一控制器发生故障时，所述第二控制器被本域的交换机确定为主控制器以控制本域内的多个交换机，所述主控制器用于在本域的网络状态变化时向所述数据共享中心发送网络状态信息；
所述第二控制器在迁移结束后，向所述第一控制器发送结束迁移消息；
所述第一控制器向本域内的所有交换机发送重新成为本域主控制器的消息；
所有交换机将所述第一控制器重新作为主控制器，并向所述第一控制器发送确认消息；
所述第一控制器在接收到所有交换机发送的确认消息后，向所述数据共享中心发送成为本域主控制器的消息；
所述数据共享中心将所述第一控制器确定为该域主控制器，并向所述第一控制器发送确认消息，其中，所述数据共享中心用于存储每个主控制器在本域的网络状态变化时发送的网络状态信息；
所述第一控制器接收到所述数据共享中心发送的确认消息后，重新成为本域主控制器，实现所述SDN网络系统中主控制器的故障恢复。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，
所述网络状态信息包括：域内网络拓扑信息、域内链路信息和域间链路信息；
其中，所述域内网络拓扑信息至少包括：域ID、该域的第一控制器、该域内的交换机、该域内的链路和该域的第二控制器；
所述域内链路信息至少包括：域ID、该域内的链路、各个链路的时延和各个链路的带宽；
所述域间链路信息至少包括：域间ID、该域间的链路、各个链路的时延和各个链路的带宽。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第二控制器是由所述数据共享中心确定并反馈给对应域的第一控制器、再由第一控制器反馈给本域内的各个交换机的；
所述方法还包括：
在所述第一控制器发生故障时，所述交换机从所述第二控制器中确定目标第二控制器，向所述目标第二控制器发送成为主控制器的消息；
所述目标第二控制器向所述数据共享中心发送获得本域的网络状态信息的第二请求；
所述数据共享中心根据所述第二请求向所述目标第二控制器反馈该域的网络状态信息；
所述目标第二控制器在接收所述数据共享中心反馈的本域的网络状态信息后，向本域内所有交换机发送主控制器角色转换消息；
所有交换机在接收到所述目标第二控制器发送的主控制器角色转换消息后，将所述目标第二控制器作为主控制器，并向所述目标第二控制器发送确认消息；
所述目标第二控制器在接收到所有交换机发送的确认消息后，向所述数据共享中心发送成为本域主控制器的消息；
所述数据共享中心在接收到所述目标第二控制器发送的成为该域主控制器的消息后，将所述目标第二控制器作为该域主控制器，向所述目标第二控制器发送确认消息；
所述目标第二控制器在接收到所述数据共享中心发送的确认消息后，成为本域主控制器。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
对每个域，所述数据共享中心确定与该域中各个交换机的最短时延之和最小的节点，并将该节点确定为该域的第二控制器。
10.根据权利要求6-9任一项所述的方法，其特征在于，所述数据共享中心位于所述SDN网络系统中的目标节点上，其中，所述目标节点是所述SDN网络系统中与各个域的第一控制器所在节点的最短时延之和最小的节点。
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