CN109067646A - 一种在流表容量受限时的sdn网络流量优化方案 - Google Patents

Abstract

本发明属于网络数据流量领域，是一种在流表容量受限时的SDN网络流量优化方案。即在SDN网络中进行流量工程，应对在网络突发流较多时，容易造成网络拥塞的现状；并结合现实，考虑SDN路由器中的流表容量限制，对网络中的流量进行路由优化，实现负载均衡这一目标。主要通过三个阶段完成：不考虑流表容量约束且商品流可被任意分割情况下的SDN网络路由优化、不考虑流表容量约束且商品流不可被分割的网络流量优化、在以上研究基础上引进流表容量有限这一条件，重新调整网络流量路由路径，以使其满足以上各约束条件。

Description

一种在流表容量受限时的SDN网络流量优化方案

技术领域

本发明属于网络数据流量领域，具体涉及在SDN网络中进行流量工程，应对在网络突发 流较多时，容易造成网络拥塞的现状；并结合现实，考虑SDN路由器中的流表容量限制，对 网络中的流量进行路由优化，实现负载均衡这一目标。

背景技术

近十年来，随着信息网络时代的到来，云计算以及大数据这些网络发展的产物迅速兴起、 网络设备的增加，网络数据流量也是猛增。这对于传统网络来说是一个巨大的考验，随着网 络流增加，网络出现大量拥塞，需要优化网络资源，提高网络资源利用率。

目前网络流量工程的目标主要为网络的负载均衡，通过对网络中业务流路由路径的控制 是实现负载均衡的重要手段。当前传统IP网络的流量工程方法主要是基于多协议标记交换协 议和基于内部网关协议权重优化的流量工程方法(杨嬛，2013)。基于多协议标记交换协议 的流量工程通过在网络中源节点与目的节点之间建立标记交换路径(LabelSwitch Paths)来 确定各个业务的路由路径，可对业务进行多条路径的分流，路由更加灵活。该协议利用标记 较好的解决了转发平面的抽象，但是控制平面的复杂性给网络带来的影响削弱了其部署范围。 其次，由于其庞大的开销而受到了限制，该方法需要支持多协议标记交换协议的路由器，因 此涉及到网络设备的更新，开销过大。基于内部网关协议的方法根据链路权重选择最短路径， 通过调整链路权重而改变路由方向，当链路权重一定时，业务流的路由路径也被确定了，不 会再选择其他路径，而当网络中源节点到目的节点之间突发流较多时，容易造成网络拥塞。 所以这种方法仍然存在着严重的局限性。

SDN网络这种新型架构使得网络传输变得更简单可控，在SDN网络中网络元素的数据转 发行为由集中的控制器决定，SDN网络中转发层面的传输设备只保留了数据的转发功能，整 个网络体系的控制功能全权交给SDN控制器来实现，控制器能够搜集全网视图，动态地监测 网络情况变化，实现了控制转发的解耦工作。这种控制平面与数据平面的分离使得网络运营 商能够对数据包转发的实际方式进行精细的粒度控制，从而更好地利用其网络。出于这个原 因，SDN正在成为许多主干和数据中心网络流量工程解决方案的领先技术(王蒙蒙等，2016)。

发明内容

本发明是一个技术方案，将SDN网络与传统IP网络结合起来，解决在流表容量受限情 况下的网络流量问题。取代将网络中所有路由器更换成SDN路由器的情况，即全SDN网络， 而是将SDN路由器逐步地部署到现有的网络中去的一种技术方案。

本发明采用的研究方法：

在不考虑流表容量约束且商品流可被任意分割情况下的SDN网络路由优化和不考虑流表 容量约束且商品流不可被分割的网络流量优化的研究基础上引进流表容量有限这一条件，重 新调整网络流量路由路径，以使其满足以上各约束条件。

具体如下：

在稀疏部署SDN路由器的传统IP网络中的网络流量路由问题，以最小化最大链路利用率 为目标进行本课题研究，并且提出相应的线性规划模型，利用对偶规划模型，使用完全多项 式时间近似方案来解决网络路由优化问题。

根据优化后的网络路由路径，基于每条业务流只能按照一个路径路由的基础上，分别提 出一种基于随机算法的解决方案以及一种介于贪心原理的解决方案。

在以上对网络路由路径优化结果的基础上，根据各SDN流表容量溢出情况使用0-1整数 规划模型重新调整各业务流的路由路径，并提出一种启发式算法解决如何调整业务流路由路 径的问题。

附图说明

图1为本发明实现的具体步骤。图2为本发明的Geant拓扑中各路由策略结果对比的仿 真效果图。图3为不同SDN路由器数量情况的结果对比的仿真效果。

具体实施方式

本发明实现的具体步骤如图1所示。

本发明的重点目标：流表约束下的网络流量均匀化。

本发明的创新点：1、将SDN路由器逐步地部署到现有的网络中去，并不是直接取代传 统网络；2、考虑流表容量的限制，将SDN网络与传统IP网络结合起来，研究在流表容量受限情况下的网络流量问题。

本发明主要解决的问题：在流表容量这一限制下，合理分配流量使得各个链路上的流量 不过载，合理分配路由使每个SDN路由器都能安装不大于其流表容量的路由表项。

本发明的算法实现：

研究路由规则放置的问题就要涉及到默认路由规则，在本节研究中假定默认路由规则不占用 有限的SDN路由器流表容量，它对任何流都是一视同仁的，只执行默认动作，SDN对流转发 的默认动作即将流转发到根据OSPF协议计算出来一的下一跳中，我们假定一条流在某个SDN 路由器中选择非默认路由路径，则消耗大小为1个单位的流表容量，用r_v来表示SDN路由器 v的流表容量，U表示SDN路由器的集合，所以v∈U。此处引入一个整数变量来表 示业务流i在SDN路由器v处的路径选择。表示该业务流i在SDN路由器v处选择默 认路径，则不消耗流表容量。表示选择非默认路径，需消耗1单位的流表容量。由此给 出具有流表约束的线性规划模型(P2)：

Minimizeθ

Subject to

不等式(1)为链路容量约束；不等式(2)为流表约束，对于所有SDN路由器，所有流经它的商品流在其上消耗的流表大小不能超过该路由器的流表容量。为了解决上述模型，提 出一种启发式算法来确定业务流的路径如何调整，该算法思路如下：

首先，利用上述算法解决上述动态路由问题

S：流表溢出的SDN路由器集合

该启发式算法中，先使用上几节中提出的方案实现无流表容量约束下的路由规划，得出 了最佳路由方案。但此方案计算出来的路由路径可能使路径上的SDN路由器流表溢出，所以 在本节再根据这一约束条件在网络中寻找出流表溢出的节点集合S。该启发式算法 基于贪心原理每次找到流表容量溢出最多的节点，首先对该节点进行路由调整。对于各个业 务流K_i如何调整也是基于贪心原理，计算出各个流经该SDN路由器的流调整到默认路径后对 最大链路使用率的影响情况，贪心的选择调整到默认路径后最大链路使用率最小的业务流进 行调整。这里使用链路拥塞程度R_e来衡量链路使用率。

本发明的仿真结果：Geant拓扑中各路由策略结果对比如图2所示。图中可以看出使用 CPLEX线性规划软件求出的最优解与利用时间近似方案得出的启发式算法的性能非常接近， 从而说明该时间近似方案是可行的。网络中如果采用传统路由策略OSPF协议计算出来的路 径路由业务流，最大链路利用率明显高于本文所提出的基于SDN的路由转发策略，说明在网 络中逐渐部署SDN路由器能够有效的实现流量均衡这一目标，提升网络性能。

本发明的仿真结果：不同SDN路由器数量情况的结果对比如图3所示。由图可得在网络 中SDN路由器数目较少时，流量优化的结果同SDN路由器数目并没有大的关联。当网络中 SDN路由器较多时，随着路由器数目的增加，网络流量优化效果更明显。

本发明中的基础算法如下，即不考虑流表容量受限情况的算法：

商品可分流假设下的流量优化：通过最小化最大链路利用率来实现基于SDN的IP网络流 量优化。表中详细描述了求解动态路由问题的启发式算法：

输入：网络拓扑图G＝(V，E)，各边的链路容量C_e，各源节点到目的节点的业务流dem(i)， 1<i<k,算法精确度ε

不分流路由算法：在实际中，商品流是不可被分流路由到不同路径上的，主要解决在每 条商品流从源节点到目的节点间只能选择一条路径路由的情况下的上述算法优化。我们着眼 于最大并行流问题，为使每条商品流K_i不可被分割，即只能沿着一个特定的路径被路由。引 入一个整数变量来解决这个问题，则线性规划(P1)为:

Maximizeλ

Subject to

P1是一个0-1整数规划问题，称为最小拥塞不可分流问题。它可以很容易地扩展到K_i必 须被分割成最多m棵树的情况。我们可以将K_i看作m个独立商品，它们恰好具有相同的顶点 集合。这些m个商品的需求总和等于dem(i)。另外，它们每个只能有一个覆盖路径。

(1)基于随机舍入的不分流算法设计在P1的情况下，得到不分流情况下的各商品流的 可选择路径集合，然后每个商品K_i从可选择路径集合里面随机选择一条路径来，该算法如下：

该随机算法中，引入R_e表示边e的拥塞，用表示每条路径p_i上的最大拥塞，R_max是 所有的最大值。对于每一条商品流K_i，这里利用来限制dem(i),得到可分流情况下 的最佳路由以及各路径上的流量情况，从而可以得出这表示一个SDN路由器在 可分流情况下选择的某一路径上的流大小占所有可选择路径上商品流总量的比例，不可分流 则以这个比例为概率前提下从可选择路径集合里随机选择一条路径路由某一条商品流。

(2)基于贪心原理的不分流算法设计，具体实现过程如下：

l_e为对偶权重，p是对偶权重更新的步长。在第i次迭代期间，算法中使用当前每条边e ∈E的对偶权重找到最短路径然后基于贪心原理每次为商品流K_i选择唯一一条最短路 径，并且沿着路由大小为dem(i)的商品流。该算法中每个商品K_i都由来表示链路最 大拥塞程度，在最大拥塞最小化的问题上求解该模型。

Claims (6)

1.一种在流表容量受限时的SDN网络流量优化方案，其特征在于：不考虑流表容量约束且商品流可被任意分割情况下的SDN网络路由优化问题研究、不考虑流表容量约束且商品流不可被分割的网络流量优化问题研究、引入流表容量约束后的SDN网络中的流量优化算法问题研究。

2.根据权利要求1所述的一种在流表容量受限时的SDN网络流量优化方案，其特征在于研究在稀疏部署SDN路由器的传统IP网络中的网络流量路由问题，以最小化最大链路利用率为目标进行研究，并且提出相应的线性规划模型，利用对偶规划模型，使用完全多项式时间近似方案来解决SDN网络优化问题。

3.根据权利要求1或2所述的一种在流表容量受限时的SDN网络流量优化方案，其特征在于基于每条业务流只能按照一个路径路由的基础上，分别提出一种基于随机算法的解决方案以及一种介于贪心原理的解决方案。

4.根据权利要求2或3所述的一种在流表容量受限时的SDN网络流量优化方案，其特征在于根据各SDN流表容量溢出情况使用0-1整数规划模型重新调整各业务流的路由路径，并提出一种启发式算法解决如何调整业务流路由路径的问题。

5.根据权利要求4所述的一种在流表容量受限时的SDN网络流量优化方案，其特性在于将SDN路由器逐步地部署到现有的网络中去，并不是直接取代传统网络。

6.根据权利要求4所述的一种在流表容量受限时的SDN网络流量优化方案，其特性在于考虑流表容量的限制，将SDN网络与传统IP网络结合起来，研究在流表容量受限情况下的网络流量问题。