CN109845192A

CN109845192A - 用于动态地适配软件定义的网络的计算机系统和方法

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Publication number: CN109845192A
Application number: CN201780063242.7A
Authority: CN
Inventors: V.库尔卡尼; E.萨基克
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2016-10-12
Filing date: 2017-10-06
Publication date: 2019-06-04
Anticipated expiration: 2037-10-06
Also published as: WO2018069171A1; US20190268237A1; EP3526931A1; DE102016219854A1; US10652100B2; CN109845192B; EP3526931B1

Abstract

用于动态地适配软件定义的网络的计算机系统和方法。提出了用于动态地适配软件定义的网络的计算机系统。计算机系统包括：多个虚拟域，每个虚拟域包括被指派了备用网络控制器的网络控制器，其中网络控制器被适配以管理指派给虚拟域的多个交换机，其中将软件定义的网络划分为多个虚拟域；和根控制器，其中根控制器被适配以通过基于所述软件定义网络的阈值动态地添加和/或移除虚拟域来管理软件定义的网络，其中将备用根控制器指派给根控制器。此外，提出了用于动态地适配软件定义的网络的方法。所提出的计算机系统提供了动态地适配软件定义的网络的优点，并且同时由于备用控制器，提供了改善的容错性。

Description

用于动态地适配软件定义的网络的计算机系统和方法

技术领域

本发明涉及一种用于动态地适配软件定义的网络的计算机系统。本发明进一步涉及一种用于动态地适配软件定义的网络的方法。此外，本发明涉及一种包括用于执行这种方法的程序代码的计算机程序产品。

背景技术

在具有大规模分布式网络节点和终端设备的大型软件定义的网络（SDN网络）中，SDN控制器的可扩展性可能是困难的。由于SDN网络较大，单个SDN控制器的性能和稳定性可能受到影响。

除了可扩展性问题之外，控制平面的容错性也是在工业应用中实际应用SDN的重要要求。在单控制器部署中，SDN控制器是控制网络中的单点故障（SPOF）。由于不能假定系统100％可用，因此必须部署备用控制器以补偿SPOF属性。

最近，多种方法提出了控制平面（CP）切片，其中向网络用户（租户）提供物理资源切片（CP多租户），并且另外提供用于根据网络用户的应用需求来协调资源的装置。因此，需要一种促进每个网络资源切片的SDN控制器并为按需网络服务铺平道路的概念。

流体复制（Noble，B.、Fleis，B.、Kim，M.（1999）。针对流体复制的案例）是一种服务复制策略，其检测对于服务和资源的需求的变化，并在必要的时间和地点自动复制服务。借助于流体复制，对服务于客户端请求所必需的服务进行托管的服务器被动态地部署在更靠近用户（服务的客户端）的位置，因此使得能够以用户体验的较低的整体延迟对服务进行访问。将这些副本放置在WayStations——基础结构中提供复制服务的服务节点——上。

Civanlar，S.、Lokman，E.、Kaytaz，B.和Tekalp，A.M.（2015）的Distributedmanagement of service-enabled flow-paths across multiple SDN domains（跨多个SDN域的启用服务的流路径的分布式管理），2015年欧洲网络与通信大会，EuCNC 2015,360-364，http://doi.org/10.1109/EuCNC.2015.7194099，建议每个SDN控制器与其他SDN控制器共享其网络图的概括视图（其基本上是其网关转发器之间的等效虚拟网络）以及相关联的服务能力。

Basta，A.、Blenk，A.、Lai，Y.T.和Kellerer，W.（2015）的 HyperFlex：Demonstrating control plane isolation for virtual software-defined networks（HyperFlex：演示针对虚拟软件定义的网络的控制平面隔离），2015年IFIP/IEEE国际综合网络管理研讨会论文集，IM 2015,1163-1164，http://doi.org/10.1109/INM.2015.7140460，介绍了用于支持SDN控制平面中的多租户要求的SDN管理程序的概念。这里，将一组物理资源指派给不同的网络租户，并且允许租户通过在其网络控制器的逻辑实例处进行预留请求来访问租户被指派的共享。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种具有改进的可扩展性和容错性的软件定义的网络。

因此，提出了一种用于动态地适配软件定义的网络的计算机系统。该计算机系统包括：多个虚拟域，每个虚拟域包括被指派了备用网络控制器的网络控制器，其中所述网络控制器被适配以管理指派给所述虚拟域的多个交换机，其中将所述软件定义的网络划分为所述多个虚拟域；和根控制器，其中所述根控制器被适配以通过基于所述软件定义网络的阈值动态地添加和/或移除虚拟域来管理所述软件定义的网络，其中将备用根控制器指派给所述根控制器。

可以用硬件和/或软件实现相应的实体，例如网络控制器。如果以硬件实现所述实体，则可以将该实体体现为设备，例如体现为计算机或处理器或体现为系统（例如计算机系统）的一部分。如果以软件实现所述实体，则可以将该实体体现为计算机程序产品、函数、例程、程序代码或可执行对象。

已知的机制不能按需实例化软件定义的网络（SDN）控制器以解决可扩展性或性能问题。所建议的计算机系统能够在运行时期间提供虚拟域和对应网络控制器的按需实例化，特别是在工业应用中。

根据所建议的计算机系统，将软件定义的网络划分为子域，称为虚拟域。虚拟域包括物理上分离的网络节点和交换机，它们都是物理的和虚拟的网络组件。虚拟域可以包括虚拟的和/或物理的资源，虚拟的和/或物理的资源在虚拟/逻辑上被分组为虚拟域。

通过将整个数据平面划分为子域，可以降低主（根）控制器的负担以用于可扩展性目的。

每个控制器，即根控制器以及低阶网络控制器，都具有备用控制器以用于高可用性目的。网络控制器管理它们自己的虚拟域，而根控制器管理根域，即网络控制器，但不是底层虚拟域。

因此，根域由根控制器及其复制实例（备用根控制器）管理。除了在域划分之后引导SDN网络和管理根域之外，根控制器还可以在新创建的域中实例化网络控制器和备用网络控制器。

根控制器可以在根域中部署备用根控制器（根控制器自身的副本）以用于高可用性的目的。在虚拟域中成功划分SDN网络并且在控制器实例化过程之后，即在网络控制器的第一次实例化之后或者在移除网络控制器之后，非根域——即虚拟域内的知识被抽象到根控制器。因此，通过总结在不同域之间交换的状态信息来实现控制平面的可扩展性。

可以将备用控制器和网络控制器部署在支持控制器执行所需的资源的任何主机和服务器上。因此，根控制器知晓主机/服务器上的可用和已利用的资源。当足够的CPU、存储器和磁盘资源可用时，除了控制器实例外，主机还可以运行用户应用。

具有任意大量虚拟交换机的虚拟网络或隔离的物理网络（例如工业/工厂自动化单元）可能需要与网络核心相隔离的控制。为此目的，根控制器可以实例化网络控制器，该网络控制器将其控制范围限制到仅仅该虚拟网络或工业/工厂自动化单元。

根据实施例，软件定义的网络的阈值是全体交换机的数量、每个虚拟域的交换机的数量、整个软件定义的网络的负载以及网络控制器的负载中的至少一个。

可以手动或自动地设置阈值。特别地，阈值可以是相应网络的设计选择。负载可以例如由诸如已利用的带宽、处理延迟、处理能力等的网络参数来解释。

根据另一实施例，根控制器被适配以在超过软件定义的网络的阈值的情况下添加新的虚拟域并且将交换机的子集指派给新的虚拟域。

例如，如果每个虚拟域的交换机的数量高于针对每个虚拟域的交换机的数量的阈值，则根控制器可以添加新的虚拟域，并且可以将现有的交换机重新指派给现有的和新的虚拟域。

根据另一实施例，根控制器被适配以在低于软件定义的网络的阈值的情况下移除虚拟域并将包括在被移除的虚拟域中的交换机的子集重新指派给多个虚拟域。

例如，如果交换机的数量低于针对每个虚拟域的交换机的数量的阈值，则移除此域，并将此域的交换机重新指派给其余的虚拟域。

根据另一实施例，备用网络控制器被适配以监视网络控制器并确定网络控制器的故障。

只要网络控制器工作，备用网络控制器的功能就是监视网络控制器的状态。如果确定了网络控制器的故障，例如崩溃，则根据另一实施例，备用网络控制器被适配以接管对应虚拟域的管理。

根据另一实施例，备用网络控制器被适配以继续对应虚拟域的实际会话。

这意味着备用网络控制器接管故障网络控制器的状态。因此，该网络控制器的虚拟域和交换机识别出网络控制器存在故障并连接到经配置的备用控制器。

根据另一实施例，备用根控制器被适配以监视根控制器并确定根控制器的故障。

不仅网络控制器而且根控制器都具有冗余控制器。因此，备用根控制器如参考备用控制器所述那样运行。

根据另一实施例，备用根控制器被适配以接管软件定义的网络的管理。

与低阶备用控制器相比，备用根控制器接管完整SDN网络的管理。

根据另一实施例，根控制器被适配以控制根域中的网络控制器、备用网络控制器和交换机。

这意味着根控制器不一定具有关于单个虚拟域的组织的任何知识，而是只与虚拟域的网络控制器和备用网络控制器以及与直接指派给根控制器的交换机协作。

根据另一实施例，根控制器被适配以接收用于实例化新租户网络的请求，并被适配以根据该请求添加新的虚拟域。

除了基于阈值对网络的适配之外，根控制器还可以基于所接收的请求来适配网络。

根据另一实施例，多个交换机中的每一个具有多个物理和/或虚拟接口。

这意味着每个交换机可以具有若干接口，交换机可以经由这些接口与若干虚拟域通信（并且是若干虚拟域的一部分）。接口可以是物理或虚拟接口。

根据另一实施例，将根控制器、备用根控制器、网络控制器和备用网络控制器包括在软件定义的网络控制器中。

因此，所提出的计算机系统的SDN控制器可以包括若干子控制器。

可以如何按需创建SDN控制器的步骤的示例在从规划到运行时的以下阶段转变中描述。

网络规划阶段：假设任意大的SDN网络由启用SDN的交换机和用作根控制器的单个SDN控制器组成。虽然带外控制更容易实现但实现起来更昂贵，下面将假设更真实的带内控制方案，其中SDN控制器通过数据平面路由交换机控制和同步消息。因此，可以在控制和用户业务之间共享数据平面转发容量。

引导阶段：一旦加载了根控制器，就会在根控制器和SDN交换机之间建立初始控制会话。对控制器进行内部触发以移动到下一阶段并因此将网络划分为多个域。例如，触发可以基于每个域的最大支持的交换机的预定义阈值。

划分阶段：根控制器将SDN网络划分为逻辑分区，具有作为由根控制器控制的分区的“根域”以及在上面被称为“虚拟域”的多个“域”分区。

实例化阶段：根控制器可以确保每个域（包括根域和虚拟域二者）都由至少两个控制器实例（“主”域控制器和备用域控制器）控制。在识别域之后，根控制器使用任何控制器部署功能来对域和备用域控制器实例化。

抽象阶段：一旦将域控制器和备用控制器部署在其域中，根控制器就与远程域控制器（网络控制器）建立对等会话。然后，根控制器修改在远程交换机处的控制器列表，并将其自己的角色从“主”更改为“从”。此外，根控制器将远程域控制器添加为该交换机的主控制器（网络控制器），并将远程域备用控制器添加为该交换机的第一从控制器（备用控制器）。因此，根控制器将其自身注册为在该交换机处的第二从控制器。

从此刻起，根控制器不直接跟踪远程或虚拟域中的交换机的资源。所有建立流的请求都在其间将建立连接的两个域中的控制器之间进行协商。

运行时阶段：在正常操作期间，可以为根控制器指派以下任务：对根域中的交换机进行控制，对其他域中的控制器进行活跃度评估，用作针对实例化新租户网络的请求的网关。此外，如果附加交换机（或“托管在服务器上的虚拟网络”/小区）物理地附接到现有域，则根控制器可以检测拓扑变化并评估承认的交换机的数量。然后，根控制器可以决定是将新设备重新指派给现有域，还是必须创建新的域。取决于该域中可容许的交换机的阈值（取决于现有域中的容量或取决于虚拟网络或小区的检测），根控制器可以创建新的域或将新设备添加到现有域（如果有足够的容量可用）。

控制器实例化触发器：在单个控制域中检测到大于可接受数量的交换机时，可以将超出的交换机重新指派给不同域中的控制器。在现有的相邻域不能接管超出的交换机的控制（超过每个域的交换机容量）的情况下，创建新的逻辑域。在此域中部署新的域控制器和备用域控制器实例，其任务是控制指派给此域的将来的交换机和这些超出的交换机。在检测到远程域中的控制器的故障时，该域中的备用域控制器和根域中的根控制器检测到该故障。这导致备用控制器接管受影响域中的主网络控制器的角色。然后，根控制器可以在受影响的域中实例化新的备用控制器。利用从现在的主网络控制器复制的状态信息对新的备用控制器进行初始化。

根据另一方面，提出了一种用于动态地适配软件定义的网络的方法，其中将所述软件定义的网络划分成多个虚拟域，每个虚拟域包括被指派了备用网络控制器的网络控制器，并且其中所述软件定义的网络包括根控制器，其中将备用根控制器指派给根控制器。该方法包括以下步骤：管理指派给虚拟域的多个交换机，以及通过基于所述软件定义的网络的阈值动态地添加和/或移除虚拟域来管理所述软件定义的网络。

除必要的变通外，参考本发明的计算机系统描述的实施例和特征对本发明的方法适用。

根据另一方面，本发明涉及一种计算机程序产品，包括当在至少一个计算机上运行时用于执行用于动态地适配软件定义的网络的上述方法的程序代码。

诸如计算机程序装置的计算机程序产品可以被体现为存储卡、USB棒、CD-ROM、DVD或者可以从网络中的服务器下载的文件。例如，可以通过从无线通信网络传送包括计算机程序产品的文件来提供这样的文件。

本发明的其他可能的实现或替代解决方案还涵盖上文或下文关于实施例所描述的特征的组合，本文未明确提及这些组合。本领域技术人员还可以将个别或孤立的方面和特征添加到本发明的最基本形式。

附图说明

结合附图，通过随后的描述和从属权利要求，本发明的其它实施例、特征和优点将变得显而易见，其中：

图1示出了计算机系统的第一实施例的示意性框图；

图2示出了计算机系统的第二实施例的示意性框图；

图3示出了在图1和图2的计算机系统中使用的SDN控制器的示意性框图；和

图4示出了用于动态地适配SDN网络的方法的一系列步骤。

在附图中，除非另有说明，否则相似的附图标记指定相似或功能上等同的元件。

具体实施方式

图1示出了用于动态地适配软件定义的网络20的计算机系统100。

计算机系统100包括多个虚拟域22、23、24、25，每个虚拟域包括被指派了备用网络控制器14、16、18的网络控制器13、15、17。网络控制器13、15、17被适配以管理被指派给每个虚拟域22、23、24、25的多个交换机26。

将SDN网络20分成物理转发设备21以及虚拟转发设备25。虚拟域22、23、24、25可以仅被包括在这些分区21、25中的一个中，或者可以在这些分区21、25上延伸。将根域22指派给根控制器11及其备用控制器12。

根控制器11通过基于软件定义的网络20的阈值动态地添加和/或移除虚拟域21、22、23、24、25来管理软件定义的网络20。

根控制器11还可以与外部管理应用通信。

图2示出了计算机系统100的示例，其中，在检测到对新租户网络28、35的请求时，实例化新租户控制器实例31、32、33、34。除了图1之外，SDN网络20还包括物理转发设备27的附加分区。详细的序列如下：

步骤1（S1）：从外部管理应用发来基于诸如设备类型、接口类型、要被覆盖的域等等的特定要求而创建某个租户的请求。外部管理应用需要在可以在SDN控制器10内处理该请求之前进行身份验证和授权。

步骤2（S2）：基于拓扑数据库，在根控制器11处创建租户视图。根控制器11针对该租户视图实例化控制器实例31、33。

步骤3（S3）：根控制器11为租户或外部管理应用生成实例化的租户控制器（主31、33和备用32、34）的接口。

这里，控制器的冗余（容错设计）对外部管理应用是透明的。

步骤4（S4）：根控制器11向租户或外部管理应用提供实例化的控制器11、12、13、14、15、16、17、18、31、32、33、34和相关接口信息的列表。

图3示出了在图1和图2的计算机系统100中使用的SDN控制器10的示意性框图。下面将描述在该SDN控制器10中使用的分区原理。

出于可扩展性的原因，尽管根控制器11具有所有域的信息，但是它没有关于每个域的内部SDN节点信息。每个域控制器13、14、15、16负责自己的SDN节点，并且只能配置那些节点。类似地，租户控制器实例31、32、33、34、36、37可以请求每个域控制器13、14、15、16基于其要求配置SDN节点。

图4示出了用于动态地适配软件定义的网络20的方法，其中软件定义的网络20被划分为多个虚拟域23、24、28、29、35，每个虚拟域23、24、28、29、35包括被指派了备用网络控制器14、16、18、32、35、37的网络控制器13、15、17、31、33、36，并且其中软件定义的网络20包括根控制器11，其中将备用根控制器12指派给根控制器11。该方法包括以下步骤：

在第一步骤401中，管理指派给虚拟域23、24、28、29、35的多个交换机26。

在第二步骤402中，通过基于软件定义的网络20的阈值动态地添加和/或移除虚拟域23、24、28、29、35来管理软件定义的网络20。

尽管已经根据优选实施例描述了本发明，但是对于本领域技术人员显而易见的是，在所有实施例中修改都是可能的。

Claims

1. 一种用于动态地适配软件定义的网络（20）的计算机系统（100），所述计算机系统（100）包括：

多个虚拟域（23、24、28、29、35），每个虚拟域（23、24、28、29、35）包括被指派了备用网络控制器（14、16、18、32、35、37）的网络控制器（13、15、17、31、33、36），其中，所述网络控制器（13、15、17、31、33、36）被适配以管理指派给所述虚拟域（23、24、28、29、35）的多个交换机（26），其中，将所述软件定义的网络（20）划分为所述多个虚拟域（23、24、28、29、35），和

根控制器（11），其中，所述根控制器（11）被适配以通过基于所述软件定义的网络（20）的阈值动态地添加和/或移除虚拟域（23、24、28、29、35）来管理所述软件定义的网络（20），其中，将备用根控制器（12）指派给所述根控制器（11）。

2.根据权利要求1所述的计算机系统，其中，所述软件定义的网络（20）的阈值是全体交换机（26）的数量、每个虚拟域（23、24、28、29、35）的交换机（26）的数量、整个软件定义的网络（20）的负载、以及所述网络控制器（13、15、17、31、33、36）的负载中的至少一个。

3.根据权利要求1或2所述的计算机系统，其中，如果超过所述软件定义的网络（20）的阈值，则所述根控制器（11）被适配以添加新的虚拟域（23、24、28、29、35）并且将所述交换机（26）的子集指派给所述新的虚拟域（23、24、28、29、35）。

4.根据权利要求1或2所述的计算机系统，其中，如果低于所述软件定义的网络（20）的阈值，则移除虚拟域（23、24、28、29、35）并将包括在被移除的虚拟域（23、24、28、29、35）中的交换机（26）的子集重新指派给所述多个虚拟域（23、24、28、29、35）。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的计算机系统，其中，所述备用网络控制器（14、16、18、32、35、37）被适配以监视所述网络控制器（13、15、17、31、33、36）并确定所述网络控制器（13、15、17、31、33、36）的故障。

6.根据权利要求5所述的计算机系统，其中，所述备用网络控制器（14、16、18、32、35、37）被适配以接管对应的虚拟域（23、24、28、29、35）的管理。

7.根据权利要求6所述的计算机系统，其中，所述备用网络控制器（14、16、18、32、35、37）被适配以继续所述对应的虚拟域（23、24、28、29、35）的实际会话。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的计算机系统，其中，所述备用根控制器（12）被适配以监视所述根控制器（11）并确定所述根控制器（11）的故障。

9.根据权利要求8所述的计算机系统，其中，所述备用根控制器（12）被适配以接管所述软件定义的网络（20）的管理。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的计算机系统，其中，所述根控制器（11）被适配以控制根域中的所述网络控制器（13、15、17、31、33、36）、备用网络控制器（14、16、18、32、35、37）和交换机（26）。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的计算机系统，其中，所述根控制器（11）被适配以接收用于实例化新租户网络的请求，并且被适配以根据该请求添加新的虚拟域（23、24、28、29、35）。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的计算机系统，其中，所述多个交换机（26）中的每一个具有多个物理和/或虚拟接口。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的计算机系统，其中，所述根控制器（11）、所述备用根控制器（12）、所述网络控制器（13、15、17、31、33、36）和所述备用网络控制器（14、16、18、32、35、37）包含在软件定义的网络控制器（10）中。

14.一种用于动态地适配软件定义的网络（20）的方法，其中，将所述软件定义的网络（20）划分为多个虚拟域（23、24、28、29、35），每个虚拟域（23、24、28、29、35）包括被指派了备用网络控制器（14、16、18、32、35、37）的网络控制器（13、15、17、31、33、36），以及其中，所述软件定义的网络（20）包括根控制器（11），其中，将备用根控制器（12）指派给所述根控制器（11），

所述方法包括：

管理（401）指派给所述虚拟域（23、24、28、29、35）的多个交换机（26），和

通过基于所述软件定义的网络（20）的阈值动态地添加和/或移除虚拟域（23、24、28、29、35）来管理（402）所述软件定义的网络（20）。

15.一种计算机程序产品，包括程序代码，所述程序代码用于当在至少一个计算机上运行时执行根据权利要求14的用于动态地适配软件定义的网络（20）的方法。