CN110061859A - 一种基于用户生存性条件约束下的sdn控制器部署方法 - Google Patents

一种基于用户生存性条件约束下的sdn控制器部署方法 Download PDF

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Abstract

本发明请求保护一种基于用户生存性条件约束下的SDN控制器部署方法，应用于二层SDN控制器的部署。为在满足用户对控制平面生存性需求的前提下，尽可能降低控制器传输时延，减少控制平面的控制器数量，本发明通过与用户协商后给出的可接受控制信道工作路由故障发生概率P计算出本部署方法下的允许的最大控制信道路由长度W，作为二级控制器部署的约束条件。在使得二级控制器到其所属SDN交换机节点的直连距离不超过W的前提下，优先选择该部分网络节点图中控制器集合总体出度数多的作为二级控制器的部署节点，完成二级控制器的部署后，以实际网络中的平均往返时延和平均可选路径数为联合判决条件确定一级控制器的部署位置，完成整个控制平面的部署工作。

Description

一种基于用户生存性条件约束下的SDN控制器部署方法
技术领域
本发明属于涉及软件定义光网络中控制平面跨层生存性设计部分，具体是在控制平面中将区域管控与集中管控相结合的二层SDN控制器的部署方法。
背景技术
近年来，随着用户对在线视频、语音通话等高流量消耗型互联网应用需求的快速增长，承担着网络中主要流量压力的光网络基础设施正面临着巨大的挑战：一方面要求网络传输容量变得更大；另一方面要求网络的管控更加实时、灵活。
软件定义网络(SoftwareDefinedNetworking，SDN)作为一种全新的网络架构实现了网络控制平面和数据平面的分离，实现了对网络统一、灵活的管控。网络管理员可以通过对网络进行编程和设计，完成沿路径转发设备的统一部署，从而实现对网络的实施管控。软件定义光网络(SoftwareDefinedOpticalNetwork，SDON)是对SDN技术的一个具体应用，是基于通用型多协议标签交换(GeneralizedMultiProtocolLabelSwitching，GMPLS)和基于路径计算单元(PathComputationElement，PCE)光网络之后的第三代智能光网络。网络的节点被分为两类，一类是哑的转发设备，专注于数据的转发；另一类是为软件驱动的控制器，专注于控制，它动态地管控光调制、光层路由、波长分配、波长转换等光层任务，从而实现大规模光网络中海量业务的灵活动态资源调度。
由于SDON的控制平面由于面向全网进行集中调度，其承载了大量重要的信令业务，包括网络状态信息收集、路由决策、光通路动态建立与拆除等，任何一条控制信道的故障都可能造成大面积的数据平面失去转发能力，从而带来无法估量的损失。
因此，控制器的部署位置是否合理对保障控制平面的生存性起着关键性作用。目前，已经存在很多关于控制器部署方法的研究，例如文献[XIONG Yu,DONGXiancun,LIYuanyuan,et al.Thecross-layer survivable design of control plane basedonminimum point covering in software defined optical network[J].Journal ofElectronics&Information Technology,2016 38(5):1211-1218.doi:10.11999/JEIT150815]基于最小点覆盖的控制平面跨层生存性控制器部署模型，其采用了最小点覆盖的原理，在保证在SDN交换机节点度数不小于2的情况下每个SDN交换机节点至少有两个控制器与之相连。该部署方法很大程度地提升了控制平面的生存性，但是控制器部署节点相对较多。再例如文献[L F and OLIVEIRA R R.Survivor:An enhancedcontroller placement strategy for improving SDN survivability[C].IEEE GlobalCommunications Conference,Austin,USA,2014:1909-1915.]用SVVR(SurViVoR)算法来确定控制器的部署方案，该算法使得SDN交换机节点与SDN控制器之间满足链路分离的路径数的最大化，但是没有考虑控制链路的长度，实际应用中可能会造成控制时延过大。事实上，控制链路长度与网络时延和控制平面生存性有着密切关系，一般来说，控制链路越长，该条线路出现故障的概率越大，往返时延也越长。
本发明旨在从限制控制信道路由长度的角度出发，减小控制链路的往返时延，降低线路出现故障概率，提高SDN控制平面生存性。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。我们提出了一种从限制控制信道路由长度的角度出发，在根据用户给出的可接受故障出现概率P得到最大控制链路的长度的基础上，综合考虑网络中传输时延，控制器数目等方面的方法。本发明的技术方案如下：
一种基于用户生存性条件约束下的SDN控制器部署方法，其包括以下步骤：
步骤1：将实际的SDN交换机节点抽象成完全二分图，将所有可达路径长度填入完全二分图中，其中不可达节点间长度设为无穷大，自身到自身长度设为0；
步骤2：通过弗洛里德算法求出任意节点到其他各个节点的最短连接路径，在完全二分图中将除该弗洛伊德算法保留的路径、节点自身到自身直连的两部分外的路径全部删除；
步骤3：依据用户指定概率P，在P的限制下计算出所允许的最大控制信道路由长度W；
步骤4：在步骤2处理后的非完全二分图中删除掉长度超过W的连接路径；
步骤5：将步骤4处理后的非完全二分图中将相同编号节点间的连线删除，即两个相同节点还原成一个网络节点，剩余节点与连线构成新的网络拓扑图，不在新的网络拓扑图中的节点重复步骤1～5另行构成网络拓扑图；
步骤6：在步骤5形成的各个网络拓扑图内部的多个最优极小支配集中，寻找控制器节点集合度数最多的作为二级控制器的部署位置；
步骤7：二级SDN控制器部署完成后以实际网络中的平均往返时延和平均可选路径数作为联合判决条件，在评分最优的二级SDN控制器节点处设置管控中心即一级SDN控制器，用于进行多个二级控制器之间的协调工作。
进一步的，所述步骤2：通过弗洛伊德算法求出任意节点到其他各个节点的最短连接路径，具体包括：
设总的节点个数为N，引入一个N*N大小的矩阵S，在矩阵S中的元素a[i][j]表示顶点i(第i个顶点)到顶点j(第j个顶点)的距离。我们需要对矩阵S进行N次更新。初始时，矩阵S中顶点i与j的距离为顶点i到顶点j的权值a[i][j]，其中a[i][i]＝0，如果i和j不相邻，则a[i][j]＝∞。接下来开始，对矩阵S进行N次更新，第k次更新表示为，如果a[i][j]＞a[i][k]+a[k][j]，1≤i,j≤N,则更新a[i][j]的值为a[i][k]+a[k][j]，另外要记录此时i到j的最短连接路径为i经过k再到j。更新N次之后，操作完成，我们得到任意节点到其他各个节点的最短连接路径。
进一步的，所述步骤3计算最大控制信道路由长度W的方法如公式(1)，其中ρ为与材质有关的光纤百公里故障概率，P为用户可接受的控制信道工作路由故障发生概率；
进一步的，所述步骤6中极小支配集表示支配集内的节点一跳之内能完成对全部节点的覆盖，最优极小支配集是指可选极小支配集中节点最少的，当最优极小支配集不止一个时，通过步骤1的图选择可选出最优极小支配集总体出度数最多的，即控制器集合到SDN交换机节点连接路径最多的作为二级控制器的部署节点。
进一步的，所述步骤7中选取一级SDN控制器部署位置时，通过平均往返时延和平均可选路径数选取一级SDN控制器部署位置，所述节点Vi与其他节点间的平均往返时延设为 其中T(Vi,Vj)为节点Vi和Vj间的往返时延，n为二级SDN控制器个数；其他节点到节点Vi的平均可选路径数设为 其中N(Vi,Vj)为节点Vj到节点Vj的可选路径数。
进一步的，设节点Vi的得分为Ci，其中P为之前用户给出的可接受的控制信道工作路由故障发生概率，表示n个单一节点到其他节点平均往返时延中最大的值，表示n个单一节点到其他节点平均往返时延中最小的值，选取节点中得分最高的作为一级SDN控制器的部署节点。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明提出一种基于用户生存性条件约束下的SDN控制器部署方法。该方法需要在部署前与用户结合实际的网络情况进行协商讨论，在用户给出可接受的最大故障出现概率P后,结合实际场景完成SDON控制平面的搭建。该方法所应用的部署模型为经典的二层部署方式，即区域管控与集中管控相结合的部署模式，包括：多个二级控制器协同完成对整个网络的覆盖和一个一级控制器用于进行多个二级控制器之间的协调工作。
其中，二级控制器的部署部分，需要先将网络中实际的SDN交换机节点抽象成完全二分图，并将所有的可达路径长度填入图中，然后通过Floyd算法求出任意节点到其他各个节点的最短连接路径，在二分图中将除该路径及节点自身到自身的连接线部分外的连线全部删除。接着依据用户指定概率，计算出所允许的最大控制信道路由长度W，将二分图中长度大于W的连接路径全部删除后构成新的二分图。该二分图可以通过删除相同编号节点间的连线，将两个相同节点还原成一个网络节点构成新的网络拓扑图，不在该拓扑图中的节点重复上述步骤另行构成网络拓扑。如此即可在各个网络拓扑图内部寻找极小支配集，在可选极小支配集中选择其中节点最少的作为最优极小支配集，最优极小支配集可能不止一个，在可达路径图中选择控制器集合出度最多的作为二级控制器的部署点。如此找到的二级控制器到其所属直连的网络节点的控制信道距离均小于等于W，符合用户生存性条件的约束，且与其控制下的网络节点备选路径最多，网路线路出现物理故障时，可直接通过下发流表选择备选路线自动修复的可能性最大。
一级控制器的部署在二级控制器部署成功之后，我们通过结合实际网络中的平均往返时延和平均可选路径数综合计算各个节点得分，找到得分最高的作为一级控制器的部署位置，其中，将用户给出的可接受故障出现概率P作为平均可选路径得分的权重也能较好地体现用户对于控制平面生存性的诉求。
使用二分图表示，不仅仅方便了Floyd算法的实现，而且在处理过后的二分图中，可以很清晰地看到找到的极小支配集能否在一跳之内覆盖到其所管控的所有的节点，计算可选控制器集合总体出度时，可以在之前未经过Floyd算法处理的二分图中方便地数出。
部署效率方面本发明采用Floyd算法对网络拓扑中的所有SDN交换机节点进行最短路径求解，其时间复杂度为O(n3)；此外对满足条件的网络进行重构，其时间复杂度为O(n2)。所提算法通过步骤拆分，分担各节点计算量，且各节点间并行计算提高算法运行效率。虽然总体复杂度相对较高，但指定时延约束的生存性部署方法在这部分采用了离线部署的方式，有效弥补了方法中可能存在的复杂度较高的不足。该部署方法在网络建设前期一次性完成，不占用网络实际计算资源和运行时间，不降低网络部署和建成后的实时运行效率和整体传输性能。
本发明方法从用户需求出发，结合实际网络拓扑结构，在满足用户需求前提下完成SDN控制器生存性的部署目标。本部署方法具有以下优势：其一，本发明方法，从用户生存性需求分析，在满足用户生存性前提之下完成控制器的部署，这种思想区别于现有的部署方法，理论上可100％满足用户生存性需求。在用户对生存性要求对不是很高的情况下，系统可通过在用户可接受范围内的生存概率换取控制器部署个数的减少。其二，本方法通过寻找极小支配集并选取其中的节点个数最少的最优极小支配集有效地减少了控制器的部署个数。控制器部署个数的减少一方面可减少控制冗余，减少控制器部署成本，另一方面可提高控制器间的交互效率，提高系统运行效率。其三，在可选的最优极小支配集中，找其中总体出度最多的集合的做法，和选取一级控制器部署位置时考虑平均可选路径数的做法都有增加了网络节点的可选控制链路条数，有效提高了控制平面的生存性。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例应用的部署模型；
图2本发明的部署流程图。
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、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
本发明提供了在二层部署模型下的一种基于用户生存性条件约束下的SDN控制器部署方法。
1.一种基于用户生存性条件约束下的SDN控制器部署方法，用于二层SDN模型的控制器部署，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将实际的SDN交换机节点抽象成完全二分图，将所有可达路径长度填入图中，其中不可达节点间长度设为无穷大，自身到自身长度设为0。
步骤2：通过Floyd算法求出任意节点到其他各个节点的最短连接路径，在二分图中将除该路径及节点自身到自身的连接线部分外的路径全部删除。
步骤3：依据用户指定概率P，计算出所允许的最大控制信道路由长度W。
步骤4：在步骤2处理后的二分图中删除掉长度超过W的连接路径。
步骤5：将步骤4处理后的二分图中将相同编号节点间的连线删除，即两个相同节点还原成一个网络节点，剩余节点与连线构成新的网络拓扑图，不在该拓扑图中的节点重复步骤1～5另行构成网络拓扑图。
步骤6：在步骤5形成的各个网络拓扑图内部的多个最优极小支配集中，寻找控制器节点集合度数最多的作为二级控制器的部署位置。
步骤7：二级SDN控制器部署完成后以实际网络中的平均往返时延和平均可选路径数作为联合判决条件，在评分最优的二级SDN控制器节点处设置管控中心即一级SDN控制器，用于进行多个二级控制器之间的协调工作。
如图1所示为本发明所应用的二层部署模型图，多个二级控制器协同完成对整个网络的覆盖，其中一个或多个二级控制器负责对其所在部分SDN交换机节点的管控，该二级控制器或者二级控制器集合，均可在一跳之内，且长度不大于W的前提下，完成对该部分网络内所有SDN交换机节点的覆盖。一级控制器部署在某个二级控制器的位置上，用于进行多个二级控制器之间的协调工作。我们需要先部署二级控制器再在二级控制器组成的实际网络拓扑上部署一级控制器以完成整个SDON控制平面的部署工作。
网络节点由一系列的SDN交换机节点组成，为了确定二级控制器的部署位置，计算节点间的最小传输路径，方法将SDN交换机节点抽象成完全二分图，其中不可达节点间长度设为无穷大，自身到自身长度设为0。在完全二分图中计算出某一节点到其他所有节点的最短连接路径，这里我们采用Floyd算法完成最短连接路径的查找，查找完成后在二分图中将除该最短连接路径及节点自身到自身的连接线部分外的连线全部删除。
根据式子计算出部署SDN控制器后所允许的最大控制信道路由长度W，其中P值需结合实际网络情况，和用户协商后给出。即方法以控制器部署位置为圆心W为半径所覆盖的范围，落在该范围内的网络节点由该部署控制器控制。
根据之前计算所得的最大控制链路长度W，从之前Floyd算法处理过的二分图中筛选出满足条件的控制链路(即链路长度小于W的，也即故障出现概率小于P的)，并对不满足条件的节点间的连接路径删除。
接着将相同编号节点间的连线删除，即两个相同节点还原成一个网络节点，剩余节点与连线构成新的网络拓扑图，不在该拓扑图中的节点重复上述步骤另行构成网络拓扑图。
在上面形成的各个网络拓扑图内部寻找极小支配集，在可选极小支配集中选择其中节点最少的作为最优极小支配集，最优极小支配集可能不止一个，可以在其中选择总体出度最多的作为二级SDN控制器的部署点。
二级SDN控制器部署完成后设置管控中心即一级SDN控制器，负责多个二级控制器之间的协调工作。控制中心节点的部署位置为二级SDN控制器部署位置中综合平均往返时延和平均可选路径数得分最高的，计算公式为其中为节点Vi与其他节点间的平均往返时延，为其他节点到节点Vi的平均可选路径数，P为之前用户给出的可接受的控制信道工作路由故障发生概率,平均往返时延需要实际测量。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (6)

1.一种基于用户生存性条件约束下的SDN控制器部署方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将实际的SDN交换机节点抽象成完全二分图，将所有可达路径长度填入完全二分图中，其中不可达节点间长度设为无穷大，自身到自身长度设为0；
步骤2：通过弗洛伊德算法求出任意节点到其他各个节点的最短连接路径，在完全二分图中将该弗洛伊德算法保留的路径、节点自身与自身直连的路径两部分外的路径全部删除；
步骤3：依据用户指定概率P，在P的限制下计算出所允许的最大控制信道路由长度W；
步骤4：在步骤2处理后的非完全二分图中删除掉长度超过W的连接路径；
步骤5：将步骤4处理后的非完全二分图中将相同编号节点间的连线删除，即两个相同节点还原成一个网络节点，剩余节点与连线构成新的网络拓扑图，不在新的网络拓扑图中的节点重复步骤1～5另行构成网络拓扑图；
步骤6：在步骤5形成的各个新的网络拓扑图内部的多个最优极小支配集中，分别寻找控制器节点集合度数最多的作为二级控制器的部署位置；
步骤7：二级SDN控制器部署完成后以实际网络中的平均往返时延和平均可选路径数作为联合判决条件，在评分最优的二级SDN控制器节点处设置管控中心即一级SDN控制器，用于进行多个二级控制器之间的协调工作。
2.根据权利要求1所述的一种基于用户生存性条件约束下的SDN控制器部署方法，其特征在于，所述步骤2：通过弗洛伊德算法求出任意节点到其他各个节点的最短连接路径，具体包括：
设总的节点个数为N，引入一个N*N大小的矩阵S，在矩阵S中的元素a[i][j]表示顶点i到顶点j的距离，我们需要对矩阵S进行N次更新，初始时，矩阵S中顶点i与j的距离为顶点i到顶点j的权值a[i][j]，其中a[i][i]＝0，如果i和j不相邻，则a[i][j]＝∞，接下来开始，对矩阵S进行N次更新，第k次更新表示为，如果a[i][j]＞a[i][k]+a[k][j]，1≤i,j≤N,则更新a[i][j]的值为a[i][k]+a[k][j]，另外要记录此时i到j的最短连接路径为i经过k再到j，更新N次之后，操作完成，我们得到任意节点到其他各个节点的最短连接路径。
3.根据权利要求2所述的一种基于用户生存性条件约束下的SDN控制器部署方法，其特征在于，所述步骤3计算最大控制信道路由长度W的方法如公式(1)，其中ρ为与材质有关的光纤百公里故障概率，P为用户可接受的控制信道工作路由故障发生概率；
4.根据权利要求1-3之一所述的一种基于用户生存性条件约束下的SDN控制器部署方法，其特征在于，所述步骤6中极小支配集表示支配集内的节点一跳之内能完成对全部节点的覆盖，最优极小支配集是指可选极小支配集中节点最少的，当最优极小支配集不止一个时，通过步骤1的图选择可选出最优极小支配集总体出度数最多的，即控制器集合到SDN交换机节点连接路径最多的作为二级控制器的部署节点。
5.根据权利要求4所述的一种基于用户生存性条件约束下的SDN控制器部署方法，其特征在于，所述步骤7中选取一级SDN控制器部署位置时，通过平均往返时延和平均可选路径数选取一级SDN控制器部署位置，所述节点Vi与其他节点间的平均往返时延设为 其中T(Vi,Vj)为节点Vi和Vj间的往返时延，n为二级SDN控制器个数；其他节点到节点Vi的平均可选路径数设为 其中N(Vi,Vj)为节点Vj到节点Vj的可选路径数。
6.根据权利要求5所述的一种基于用户生存性条件约束下的SDN控制器部署方法，其特征在于，设节点Vi的得分为Ci，其中P为之前用户给出的可接受的控制信道工作路由故障发生概率，表示n个单一节点到其他节点平均往返时延中最大的值，表示n个单一节点到其他节点平均往返时延中最小的值，选取节点中得分最高的作为一级SDN控制器的部署节点。
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CN115277430B (zh) * 2022-06-08 2023-09-26 重庆邮电大学 一种链路故障概率量化方法及sdn控制器部署方法

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