CN107707471B - 基于大规模sdn的最小化转发链路数的节能方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于大规模SDN的最小化转发链路数的节能方案，该方案为一种基于大规模软件定义网络(Software Defined Network,SDN)的最小化活动链路数以实现网络资源的节能和优化方法。主要采用ILP数学模型架构大型网络拓扑，利用SDN控制层和数据层解耦的特点实现感知能量的功能并调整路由转发，在满足给定流量需求的基础上，考虑控制层流量的有界延迟及控制器之间的负载均衡最小化转发链路数，以实现能耗最小化。

Description

基于大规模SDN的最小化转发链路数的节能方法
技术领域
本发明涉及未来网络架构能源利用效率技术领域，尤其涉及一种基于大规模SDN的最小化转发链路数的节能方法。
背景技术
近十年来，信息通信技术(ICT，InformationCommunicationsTechnology)领域的能源消耗已成为社会关注的热点问题。全球接近4.7％的电能被ICT消耗，释放到大气中的二氧化碳排放量在1.7％左右。此外，有研究指出，ICT行业的能源需求增长速度高于全行业平均水平。而在ICT行业中，电信网络占ICT总能耗的三分之一以上。因此，对互联网服务提供商(ISP，Internet Service Provide)而言，降低骨干网络的功耗对该行业的节能至关重要，与此同时，提高数据网络的能源效率也可以大大降低其他行业对环境的影响。
在SDN网络中，控制功能在逻辑上集中于一个新实体中，并与转发设备分离，我们称之为控制器。SDN中的逻辑集中控制平面掌握着全网的网络状态信息，且无需额外的软件或硬件帮助其针对每个交换元件管理网络任务和下发设备配置。同时，网络设备也仅根据控制器设置的规则转发流量。该功能可以用于执行能量感知路由调度，以协调和集中的方式确定应该进入睡眠的交换机接口。因此，可以在控制平面中轻松实现能量感知解决方法。
于是控制带内流量转发以实现优化SDN网络功耗的方法是可行的。当物理设备和成本受限，当实现专用控制网络不可行时，这种基于能量感知的路由性能是值得考虑的。对于大型骨干网络而言，这是再现实不过的问题，专设链路在控制器和转发设备之间传输控制消息是不切实际并且成本效益极低的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的网络能源危机问题，提供一种基于大规模SDN的最小化转发链路数的节能方法，使得获取的最短活动链路路径显著降低网络能耗，提高网络节能效果，有效节约能源。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方法：
基于大规模SDN的最小化转发链路数的节能方法，包括如下步骤：
步骤1)：设SDN网络拓扑是一个有向图G＝(V,E,C)，其中V,E,C分别代表节点集合，链路集合，控制器节点集合，并且
Figure GDA0002567486390000021
另外，
Figure GDA0002567486390000022
表示网络中其余转发设备集合。D代表数据层任意节点间路由流量需求。P表示数据和控制路径，X表示活动链路，Y表示控制器-交换机之间的关联，U表示链路利用率。
步骤2)：对于网络中所有的控制节点对∈G，找到所有可能的控制路径并存储于Pc[pair]，即转发设备连接到网络中控制器的路径，这些路径受到有界延迟(Lb)的约束，且不经过除源节点或目的节点以外的其他控制器。
步骤3)：对于网络中所有数据对的流量需求∈D，找到所有可能的数据路径并存储于Pd[pair]，且这些路径不经过网络中的任意控制器节点。
步骤4)：对集合S中的转发设备按以下两个标准升序排列并存储于L中:
1)与其可能相关联的控制器的数量
2)可能的控制路径的数量
步骤5)：取L中的第一个节点n，对经过节点n的任意控制路径p∈Pc[n]执行以下循环：
步骤6)：初始化(P',X',Y',U')。
步骤7)：对于L中除去n以外的所有节点s执行路径选择算法PATHSELECTOR(s,None)，可确定其中每个转发器到达控制器的路径，以及在有界延迟(Lb)的约束下该控制器与之相关联。
步骤8)：将P'中的节点对(c,s)列表存储到O中，对其中所有节点对执行路径选择算法PATHSELECTOR(c,s)，选择控制器-转发设备节点对之间的最小活动链路路径。
步骤9)：对于任意控制器对(c,c)∈G执行路径选择算法PATHSELECTOR(c,c)，选择控制器-控制器节点对之间的最小活动链路路径；
步骤10)：对于任意转发设备对(s,s)∈D执行路径选择算法PATHSELECTOR(s,s)，选择转发设备-转发设备节点对之间的最小活动链路路径；
步骤11)：由上述步骤确定的活动链路X‘，若len(X')≤len(X)，则重新赋值len(X),P,X,Y,U←len(X'),P',X',Y',U'并结束循环，返回步骤5)，遍历所有p∈Pc[n]得出最终活动链路X；
步骤12)：若仍len(X)＝∞，返回步骤5)，对L中下一节点执行上述步骤，直至len(X)≠∞。
所述步骤7)，8)，9)，10)的路径选择算法PATHSELECTOR(a,b)，以步骤7)为例，详细步骤如下：
步骤7.1)：设置变量B←∞和SeP←None；
步骤7.2)：对于任意路径p∈Admisible_Path(a,b)，即a、b之间所有可能的路径p，其中AdmisiblePaths＝Pc∪Pd。执行以下循环：
步骤7.2.1)：若b＝None，且路径p的目的节点是某个已知负载的控制器，则该控制器与节点a相关联。
步骤7.2.2)：将路径p中不属于活动链路集合X'的链路数量赋值给变量off。
步骤7.2.3)：若off≤B且路径p具有足够的带宽来路由需求量时，重新设置变量B←off，SeP←p，返回步骤7.2)执行下一条路径p∈Admisible_Path(a,b)。
步骤7.3)：遍历所有p∈Admisible_Path(a,b)之后，若SeP←None，即无法确认a、b间的最小活动链路的路径，则继续执行节点n的下一条路径p∈Pc[n]。
步骤7.4)：更新(P',X',Y',U')。
本发明采用以上技术方法与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明考虑了在SDN实操中至关重要的性能约束，例如控制平面流量的有界延迟和控制器之间的负载平衡。虽然这是一个更具挑战性的方法，但该模型能够在不降低性能的情况下降低功耗。对于大型网络拓扑，本发明减少了执行方法的时间复杂度且实现了非常接近最优解的算法，结果显示大型拓扑结构的能量节省高达60％。
附图说明
图1是SDN网路架构模型及不同网络平面间的链路关系。
图2是不同规模网络拓扑中不同数量控制器对网络节能性能的影响。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方法做进一步的详细说明：
本发明基于大规模SDN的最小化转发链路数的节能方法，针对不同规模网络架构执行以下启发式算法，其中有拓扑A(包含11个节点，22条链路，小型网络规模)，拓扑B(包含14个节点，42条链路，小型网络规模)，拓扑C(包含22个节点，72条链路，大型网络规模)。由于SDN的控制信息以带内模式进行交换，所以需要建立控制器与交换机之间，以及控制器与控制器之间的控制路径，如图1所示。已知网络拓扑中控制器的位置，我们的模型可以根据能效及控制器之间的负载平衡确定交换机的优化分配，数据层通讯不可经过控制器路由。此外，该方法考虑到链路的利用率及控制路径的延迟。
其具体步骤如下：
步骤1)：设SDN网络拓扑是一个有向图G＝(V,E,C)，其中V,E,C分别代表节点集合，链路集合，控制器节点集合，并且
Figure GDA0002567486390000041
另外，
Figure GDA0002567486390000042
表示网络中其余转发设备集合。D代表数据层任意节点间路由流量需求。P表示数据和控制路径，X表示活动链路，Y表示控制器-交换机之间的关联，U表示链路利用率。
步骤2)：对于网络中所有的控制节点对∈G，找到所有可能的控制路径并存储于Pc[pair]，即转发设备连接到网络中控制器的路径，这些路径受到有界延迟(Lb)的约束，且不经过除源节点或目的节点以外的其他控制器。
步骤3)：对于网络中所有数据对的流量需求∈D，找到所有可能的数据路径并存储于Pd[pair]，且这些路径不经过网络中的任意控制器节点。
步骤4)：对集合S中的转发设备按以下两个标准升序排列并存储于L中:
1)与其可能相关联的控制器的数量
2)可能的控制路径的数量
步骤5)：取L中的第一个节点n，对经过节点n的任意控制路径p∈Pc[n]执行以下循环：
步骤6)：初始化(P',X',Y',U')。
步骤7)：对于L中除去n以外的所有节点s执行路径选择算法PATHSELECTOR(s,None)，可确定其中每个转发器到达控制器的路径，以及在有界延迟(Lb)的约束下该控制器与之相关联。
步骤8)：将P'中的节点对(c,s)列表存储到O中，对其中所有节点对执行路径选择算法PATHSELECTOR(c,s)，选择控制器-转发设备节点对之间的最小活动链路路径。
步骤9)：对于任意控制器对(c,c)∈G执行路径选择算法PATHSELECTOR(c,c)，选择控制器-控制器节点对之间的最小活动链路路径。
步骤10)：对于任意转发设备对(s,s)∈D执行路径选择算法PATHSELECTOR(s,s)，选择转发设备-转发设备节点对之间的最小活动链路路径。
步骤11)：由上述步骤确定的活动链路X‘，若len(X')≤len(X)，则重新赋值len(X),P,X,Y,U←len(X'),P',X',Y',U'并结束循环，返回步骤5)，遍历所有p∈Pc[n]得出最终活动链路X。
步骤12)：若仍len(X)＝∞，返回步骤5)，对L中下一节点执行上述步骤，直至len(X)≠∞。
步骤7)，8)，9)，10)的路径选择算法PATHSELECTOR(a,b)，以步骤7)为例，详细步骤如下：
步骤7.1)：设置变量B←∞和SeP←None。
步骤7.2)：对于任意路径p∈Admisible_Path(a,b)，即a、b之间所有可能的路径p，其中AdmisiblePaths＝Pc∪Pd。执行以下循环：
步骤7.2.1)：若b＝None，且路径p的目的节点是某个已知负载的控制器，则该控制器与节点a相关联。
步骤7.2.2)：将路径p中不属于活动链路集合X'的链路数量赋值给变量off。
步骤7.2.3)：若off≤B且路径p具有足够的带宽来路由需求量时，重新设置变量B←off，SeP←p，返回步骤7.2)执行下一条路径p∈Admisible_Path(a,b)。
步骤7.3)：遍历所有p∈Admisible_Path(a,b)之后，若SeP←None，即无法确认a、b间的最小活动链路的路径，则继续执行节点n的下一条路径p∈Pc[n]。
步骤7.4)：更新(P',X',Y',U')。

Claims (4)

1.基于大规模SDN的最小化转发链路数的节能方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1)：设SDN网络拓扑是一个有向图G＝(V,E,C)，其中V,E,C分别代表节点集合，链路集合，控制器节点集合，并且
Figure FDA0002567486380000011
另外，
Figure FDA0002567486380000012
表示网络中其余转发设备集合；D代表数据层任意节点间路由流量需求； P表示数据和控制路径，X表示活动链路，Y表示控制器-交换机之间的关联，U表示链路利用率；
步骤2)：对于网络中所有的控制节点对∈G，找到所有可能的控制路径并存储于Pc[pair]，Pc[pair]代表转发设备连接到网络中控制器的路径，这些路径受到有界延迟(Lb)的约束，且不经过除源节点或目的节点以外的其他控制器；
步骤3)：对于网络中所有数据对的流量需求∈D，找到所有可能的数据路径并存储于Pd[pair]，且这些路径不经过网络中的任意控制器节点，其中Pd[pair]表示数据层中数据流量传输的路径；
步骤4)：对集合S中的转发设备按以下两个标准升序排列并存储于集合L中:
4-1)与其相关联的控制器的数量；
4-2)控制路径的数量；
步骤5)：取L中的第一个节点n，对经过节点n的任意控制路径p∈Pc[n]执行以下循环：
步骤6)：初始化(P',X',Y',U')，其中P'，X'，Y'，U'分别代表每一轮迭代后的P,X,Y,U；
步骤7)：对于L中除去n以外的所有节点s执行路径选择算法PATHSELECTOR(s,None)，可确定其中每个转发器到达控制器的路径，以及在有界延迟(Lb)的约束下该控制器与之相关联；
步骤8)：将P'中的节点对(c,s)列表存储到新的集合O中，对其中所有节点对执行路径选择算法PATHSELECTOR(c,s)，选择控制器-转发设备节点对之间的最小活动链路路径；
步骤9)：对于任意控制器对(c,c)∈G执行路径选择算法PATHSELECTOR(c,c)，选择控制器-控制器节点对之间的最小活动链路路径；
步骤10)：对于任意转发设备对(s,s)∈D执行路径选择算法PATHSELECTOR(s,s)，选择转发设备-转发设备节点对之间的最小活动链路路径；
步骤11)：由上述步骤确定的活动链路X‘，若len(X')≤len(X)，则重新赋值len(X),P,X,Y,U←len(X'),P',X',Y',U'并结束循环，返回步骤5)，遍历所有p∈Pc[n]得出最终活动链路X，其中len(X)表示活动链路X'的路径长度；
步骤12)：若仍len(X)＝∞，返回步骤5)，对L中下一节点执行上述步骤，直至len(X)≠∞。
2.根据权利要求1所述的节能方法，其特征在于，所述步骤7)详细如下：
步骤7.1)：设置变量B←∞和SeP←None；
步骤7.2)：对于任意路径p∈Admisible_Path(a,b)，即a、b之间所有可能的路径p；
步骤7.3)：遍历所有p∈Admisible_Path(a,b)之后，若SeP←None，即无法确认a、b间的最小活动链路的路径，则继续执行节点n的下一条路径p∈Pc[n]；
步骤7.4)：更新(P',X',Y',U')；
其中AdmisiblePaths＝Pc∪Pd；执行以下循环。
3.根据权利要求2所述的节能方法，其特征在于，所述步骤7.2)执行以下程序：
步骤7.2.1)：若b＝None，且路径p的目的节点是某个已知负载的控制器，
则该控制器与节点a相关联；
步骤7.2.2)：将路径p中不属于活动链路集合X'的链路数量赋值给变量off；
步骤7.2.3)：若off≤B且路径p具有足够的带宽来路由需求量时，重新设置变量B←off，SeP←p，返回步骤7.2)执行下一条路径p∈Admisible_Path(a,b)。
4.根据权利要求1所述的节能方法，其特征在于，步骤8)、9)、10)的路径选择算法PATHSELECTOR(a,b)，与步骤7)相同。
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