CN108199956A - 基于sdn的状态感知的分布式共享内存构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于SDN的状态感知的分布式共享内存构建方法，应用于SDN网络。该方法包括：在SDN控制器中部署包含分布式共享内存指针数组及多播组列表的多播注册服务器；在分布式节点创建多播套接字客户端；所述分布式节点通过所述多播套接字客户端完成IP地址注册、注销；所述SDN控制器通过状态感知的路由机制建立最佳路径；所述分布式节点更新分布式共享内存数据，基于有序多播实现写更新一致性。通过本发明方法所构建的状态感知的分布式共享内存能有效缓解网络资源竞争问题，减少网络总时延，保证负载均衡，提高系统执行效率。

Description

基于SDN的状态感知的分布式共享内存构建方法
技术领域
本发明属于信息技术中并行计算领域，具体为一种基于SDN（Software DefinedNetwork，软件定义网络）的状态感知的分布式共享内存构建方法。
背景技术
在分布式系统中，各节点间的通信一般依赖远程过程调用、消息传递、共享内存等方式实现。然而，由于远程过程调用和消息传递两种通信方式都跨越了通信双方的内存地址空间，因此不适于传输复杂的数据结构，尤其是在传输包含内存指针的数据结构时，该缺陷显得尤为突出。不仅如此，在分布式系统中，进程迁移是较为常见的需求。而进程迁移对虚拟地址空间的深度依赖关系导致了进程的迁移难以通过远程过程调用和消息传递实现。更重要的是，远程过程调用不适用于节点间数据传输，而基于消息传递的通信机制一般设计用以实现较少数据量的传输，当分布式系统各节点之间需要传输较大的数据量时，消息传递机制所固有的消息头、校验和等附加数据将对系统资源造成极大损耗。可见，在当前大数据背景下，分布式共享内存是大数据处理引擎各节点进行数据通信和共享的理想工具。
通信网络是影响分布式共享内存性能的重要因素。传统分布式共享内存由于“终端竞争”的问题，导致在终端数量较多、流量较大时产生较大网络延迟，系统性能较差。而SDN是一种新型网络创新架构，是网络虚拟化的一种实现方式，其核心技术OpenFLow通过将网络设备控制平面与数据平面分离开来，从而实现的网络流量的灵活控制。
发明内容
鉴于现有分布式共享内存存在的缺点，本发明目的在于提供一种基于SDN的状态感知的分布式共享内存构建方法，解决多终端、大流量状况下网络时延较大的问题，以保证分布式共享内存执行效率和共享数据一致性。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于SDN的状态感知的分布式共享内存构建方法，应用于包含SDN控制器和SDN交换机的通信网络中，基于多播机制，包括以下步骤：
(1)在SDN控制器部署多播注册服务器，所述多播注册服务器由分布式共享内存指针数组以及多播组列表组成，所述分布式共享内存指针数组每个元素指向一个多播组列表；
(2)在分布式节点创建多播socket客户端作为多播注册客户端，所述多播socket客户端将本地端口与特定多播组地址绑定；
(3)所述分布式节点通过所述多播socket客户端在所述SDN控制器中完成分布式节点IP地址注册、注销；
(4)所述SDN控制器通过状态感知的路由选择机制为所述分布式节点与分布式共享内存的其它节点建立最佳转发路径；
(5)所述分布式节点更新分布式共享内存数据，并基于有序多播机制实现分布式共享内存节点之间写更新一致性。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：
通过本发明方法所构建的状态感知的分布式共享内存能有效缓解网络资源竞争问题，减少网络总时延，保证负载均衡，提高系统执行效率。
附图说明
图1为基于SDN的状态感知的分布式共享内存构建方法流程图。
具体实施方式
以下通过优选的实施例结合附图说明本发明方法。
如图1所示，本基于SDN的状态感知的分布式共享内存构建方法，应用于包含SDN控制器和SDN交换机的通信网络中，基于多播机制，包括以下操作步骤：
(1)在SDN控制器部署多播注册服务器，所述多播注册服务器由分布式共享内存指针数组以及多播组列表组成，所述分布式共享内存指针数组每个元素指向一个多播组列表；
(2)在分布式节点创建多播socket客户端作为多播注册客户端，所述多播socket客户端将本地端口与特定多播组地址绑定；
(3)所述分布式节点通过所述多播socket客户端在所述SDN控制器中完成所述分布式节点IP地址注册、注销；
(4)所述SDN控制器通过状态感知的路由选择机制为所述分布式节点与分布式共享内存的其它节点建立最佳转发路径；
(5)所述分布式节点更新分布式共享内存数据，并基于有序多播机制实现分布式共享内存节点之间写更新一致性。
本实施例构建的分布式共享内存系统工作于操作系统的用户空间，因此可以依靠操作系统的虚拟内存向用户提供硬件层级的一致性校验，并且能够允许应用程序借助系统调用来保护其使用的共享内存区域。不仅如此，该分布式共享内存系统以组为单位进行管理和操作，以此对应多播通信机制的多播组。每一个申请了该分布式共享内存对象的进程都被绑定在固定识别号的多播组上。为了保证分布式内存同步的时效性，其所处的SDN网络内所有与内存同步相关的流表都被设置为最高优先级。
具体的，所述步骤(1)具体步骤包括：
(1a)使用开源控制器ryu作为SDN控制器；
(1b)使用(multi_addr,ip_addr1,ip_addr2,…)多播组列表形式保存多播组地址及多播成员地址，其中列表头元素为多播组地址，其他元素为多播成员节点IP地址；
(1c)使用DSM_Array[DSM_ID]指针数组形式保存分布式共享内存ID号，数组元素为多播组地址multi_addr。
所述步骤(1)中所述分布式共享内存的指针数组以及多播组列表具体内容为：分布式共享内存指针数组保存有各分布式共享内存的ID号，所述ID号指向一个多播组列表，所述多播组列表保存特定多播组的成员节点IP地址，所述成员节点IP地址即分布式节点的IP地址。
具体的，所述步骤(2)具体步骤包括：
(2a)将所述分布式节点指定端口与特定多播组地址通过所述多播socket客户端绑定；
(2b)将多播socket客户端设为异步模式，使得所述分布式节点可同时发送和接收数据。
具体的，所述步骤(3)中所述分布式节点IP地址注册、注销包括以下步骤：所述分布式节点在本地内存申请一段内存空间，将所述内存空间首地址指针与一个分布式共享内存ID号绑定，所述分布式节点通过所述多播socket客户端发送包含所述分布式共享内存ID号的消息，SDN控制器接收并解析所述消息，获取消息类型、节点地址、分布式共享内存ID号，若所述消息为注册消息：将所述节点地址添加到所述分布式共享内存ID号指向的多播组列表；若所述消息为注销消息：将所述节点地址从所述分布式共享内存ID号指向的多播组中删除。
具体的，所述步骤(3)中所述分布式节点IP地址注册、注销还包括：注册成功后，所述多播socket客户端用于监听来自所述多播组的消息；注销后，所述多播socket客户端关闭。
具体的，所述步骤(4)中所述状态感知的路由选择机制包括以下步骤：
(4-1)通过SDN控制器获取某个分布式共享内存所对应的多播组的时延受限条件的多播树；
(4-2)根据可用剩余带宽将所述多播树排序，选取前n个剩余带宽最大的多播树；
(4-3)根据数据报的跳数将(4-2)中所述n个多播树排序，选取前m个跳数最小的多播树；
(4-4)从所述m个多播树中选择最优多播树，即具有最大剩余带宽与最小跳数的多播树。
具体的，所述步骤(5)中所述分布式节点更新分布式共享内存数据具体实现步骤包括：所述分布式节点创建一个多播socket服务器，通过所述多播socket服务器发送分布式共享内存更新数据。
具体的，所述步骤(5)中所述有序多播机制的具体实现步骤包括：
(5-1)在SDN控制器中部署一个网络时间协议服务器NTP，所有申请了分布式共享内存的节点都通过该NTP保持时间同步；
(5-2)作为分布式共享内存生产者的节点向SDN控制器发送通知消息，告知SDN控制器其将要向特定分布式共享内存所指向的多播组发送载有分布式共享内存数据的多播数据报，所述通知消息包含分布式共享内存的ID号、分布式共享内存ID号指向的多播组的地址以及当前的NTP时间戳；
(5-3)SDN控制器接收并解析来自节点的通知消息，获取分布式共享内存的ID号、分布式共享内存所指向多播组地址以及NTP时间戳，根据所述NTP时间戳将一定时间内所侦听到的通知消息进行排列，根据所述排列生成源IP地址-分布式共享内存ID次序表，并生成该表所对应的多播数据报的转发规则；
(5-4)SDN控制器将所述步骤(5-2)生成的转发规则沿多播树安装于SDN交换机上；在此，SDN控制器对流表的安装只执行到与分布式共享内存的消费者直连的接入交换机的上一跳交换机上；
(5-5)SDN交换机按照安装的流表规则应答共享内存生产者，允许它们向特定分布式共享内存指向的多播组内发送载有共享内存数据的数据报；
(5-6)分布式共享内存生产者开始向多播组内发送其更新后的分布式共享内存数据；
(5-7)载有共享内存数据的多播数据报会被SDN交换机根据流表项的指示而沿着多播树进行转发，根据所述步骤(5-4)，此时只有与分布式共享内存的消费者直连的接入交换机的上一跳交换机安装了针对该多播数据报的转发规则，因此，与分布式共享内存消费者主机直连的接入交换机无法找到一个能够指示将载有共享内存的数据报转发至主机的流表项，根据openflow协议，此时SDN交换机将会发送一个异步的Packet-In消息到SDN控制器，询问如何处理该异常数据报；
(5-8)SDN控制器接收Packet-In消息，按照源IP地址-分布式共享内存ID次序表发送Packet-Out消息到所述步骤(5-7)所述接入交换机，所述接入交换机接收到Packet-Out消息后，执行消息内所指示动作，将载有共享内存数据的数据报转发到作为分布式共享内存消费者的主机上。

Claims (8)

1.一种基于SDN的状态感知的分布式共享内存构建方法，应用于包含SDN控制器和SDN交换机的通信网络中，其特征在于：基于多播机制，包括以下操作步骤：
(1)在SDN控制器部署多播注册服务器，所述多播注册服务器由分布式共享内存指针数组以及多播组列表组成，所述分布式共享内存指针数组每个元素指向一个多播组列表；
(2)在分布式节点创建多播socket客户端作为多播注册客户端，所述多播socket客户端将本地端口与特定多播组地址绑定；
(3)所述分布式节点通过所述多播socket客户端在所述SDN控制器中完成分布式节点IP地址注册、注销；
(4)所述SDN控制器通过状态感知的路由选择机制为所述分布式节点与分布式共享内存的其它节点建立最佳转发路径；
(5)所述分布式节点更新分布式共享内存数据，并基于有序多播机制实现分布式共享内存节点之间写更新一致性。
2.根据权利要求1所述的基于SDN的状态感知的分布式共享内存构建方法，其特征在于：所述步骤(1)中所述分布式共享内存的指针数组以及多播组列表具体内容为：分布式共享内存指针数组保存有各分布式共享内存的ID号，所述ID号指向一个多播组列表，所述多播组列表保存特定多播组的成员节点IP地址，所述成员节点IP地址即分布式节点的IP地址。
3.根据权利要求1所述的基于SDN的状态感知的分布式共享内存构建方法，其特征在于：所述步骤(2)中在分布式节点创建多播socket客户端，所述多播socket客户端将本地端口与特定多播组地址绑定，具体步骤包括：
(2a)将所述分布式节点指定端口与特定多播组地址通过所述多播socket客户端绑定；
(2b)将多播socket客户端设为异步模式，使得所述分布式节点能够同时发送和接收数据。
4.根据权利要求1所述的基于SDN的状态感知的分布式共享内存构建方法，其特征在于：所述步骤(3)中所述分布式节点IP地址注册、注销包括以下步骤：所述分布式节点在本地内存申请一段内存空间，将所述内存空间首地址指针与一个分布式共享内存ID号绑定，所述分布式节点通过所述多播socket客户端发送包含所述分布式共享内存ID号的消息，SDN控制器接收并解析所述消息，获取消息类型、节点地址、分布式共享内存ID号，若所述消息为注册消息：将所述节点地址添加到所述分布式共享内存ID号指向的多播组列表；若所述消息为注销消息：将所述节点地址从所述分布式共享内存ID号指向的多播组中删除。
5.根据权利要求1所述的基于SDN的状态感知的分布式共享内存构建方法，其特征在于：所述步骤(3)中所述分布式节点IP地址注册、注销还包括：注册成功后，所述多播socket客户端用于监听来自所述多播组的消息；注销后，所述多播socket客户端关闭。
6.根据权利要求1所述的基于SDN的状态感知的分布式共享内存构建方法，其特征在于：所述步骤(4)中所述状态感知的路由选择机制包括以下步骤：
(4-1)通过SDN控制器获取某个分布式共享内存所对应的多播组的时延受限条件的多播树；
(4-2)根据可用剩余带宽将所述多播树排序，选取前n个剩余带宽最大的多播树；
(4-3)根据数据报的跳数将(4-2)中所述n个多播树排序，选取前m个跳数最小的多播树；
(4-4)从所述m个多播树中选择最优多播树，即具有最大剩余带宽与最小跳数的多播树。
7.根据权利要求1所述的基于SDN的状态感知的分布式共享内存构建方法，其特征在于：所述步骤(5)中所述分布式节点更新分布式共享内存数据具体实现步骤包括：所述分布式节点创建一个多播socket服务器，通过所述多播socket服务器发送分布式共享内存更新数据。
8.根据权利要求1所述的基于SDN的状态感知的分布式共享内存构建方法，其特征在于：所述步骤(5)中所述有序多播机制的具体实现步骤包括：
(5-1)在SDN控制器中部署一个网络时间协议服务器NTP，所有申请了分布式共享内存的节点都通过该NTP保持时间同步；
(5-2)作为分布式共享内存生产者的节点向SDN控制器发送通知消息，告知SDN控制器其将要向特定分布式共享内存所指向的多播组发送载有分布式共享内存数据的多播数据报，所述通知消息包含分布式共享内存的ID号、分布式共享内存ID号指向的多播组的地址以及当前的NTP时间戳；
(5-3)SDN控制器接收并解析来自节点的通知消息，获取分布式共享内存的ID号、分布式共享内存所指向多播组地址以及NTP时间戳，根据所述NTP时间戳将一定时间内所侦听到的通知消息进行排列，根据所述排列生成源IP地址-分布式共享内存ID次序表，并生成该表所对应的多播数据报的转发规则；
(5-4)SDN控制器将所述步骤(5-2)生成的转发规则沿多播树安装于SDN交换机上；在此，SDN控制器对流表的安装只执行到与分布式共享内存的消费者直连的接入交换机的上一跳交换机上；
(5-5)SDN交换机按照安装的流表规则应答共享内存生产者，允许它们向特定分布式共享内存指向的多播组内发送载有共享内存数据的数据报；
(5-6)分布式共享内存生产者开始向多播组内发送其更新后的分布式共享内存数据；
(5-7)载有共享内存数据的多播数据报会被SDN交换机根据流表项的指示而沿着多播树进行转发，根据所述步骤(5-4)，此时只有与分布式共享内存的消费者直连的接入交换机的上一跳交换机安装了针对该多播数据报的转发规则，因此，与分布式共享内存消费者主机直连的接入交换机无法找到一个能够指示将载有共享内存的数据报转发至主机的流表项，根据openflow协议，此时SDN交换机将会发送一个异步的Packet-In消息到SDN控制器，询问如何处理该异常数据报；
(5-8)SDN控制器接收Packet-In消息，按照源IP地址-分布式共享内存ID次序表发送Packet-Out消息到所述步骤(5-7)所述接入交换机，所述接入交换机接收到Packet-Out消息后，执行消息内所指示动作，将载有共享内存数据的数据报转发到作为分布式共享内存消费者的主机上。
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