CN110086654B - 软件定义数据中心下基于可靠性的主备控制器部署方法 - Google Patents

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Abstract

本发明请求保护一种软件定义数据中心下基于可靠性的主备控制器部署方法。首先，根据给定的网络拓扑，依照贪婪策略确定网络中主控制器的数量以及部署位置；其次，根据所选取的主控制器位置，对网络中每个交换机选取可靠性最佳的备用控制器。在进行备用控制器的选取时，利用主备控制路径之间相关性以及差异性，定义了一个可靠性因子来保证控制路径的可靠性。该方法将网络部署成本和网络可靠性作为优化目标，在保证网络中所部署的控制器数量尽可能少的情况下，最大化整个网络的可靠性。

Description

软件定义数据中心下基于可靠性的主备控制器部署方法
技术领域
本发明属于计算机网络领域，针对软件定义数据中心下控制器的部署问题， 提出了一种基于可靠性的主备控制器部署方法。
背景技术
随着各种新兴网络服务和应用的快速发展，如5G，物联网，高清多媒体流， 云计算，大数据等，传统的互联网和电信数据中心正面临着巨大的挑战。由于 这些基于网络的在线服务需求不断上升，这种存储和数据交换流量极大多数流 通在数据中心内部，使得数据中心网络内部流量呈爆炸式增长。根据相关预测， 截至2020年，IT行业90％的增长将由第三平台推动，该平台建立在云服务、 大数据分析、移动和社交技术之上。然而，数据中心网络作为云计算、大数据 等技术的重要基础设施，其规模和复杂性正在变得越来越大，并且开始受到传 统分层树状网络架构、IT设备以及网络管理和运营的限制。因此，数据中心网 络期望被赋予一种新型的扁平架构、硬件和软件技术，以便实现更高的存储和 处理能力、网络带宽，更高效的网络和计算资源利用率，更低的互连时延以及 更低的功耗和运营费用。软件定义网络(Software Defined Network，SDN)则具有 解决传统数据中心所面临的一系列问题的潜力。
早期SDN的实现方式依赖于单个控制器，然而随着网络需求的不断上升， 单控制器部署模式面临着性能瓶颈、无法处理单点失效等一系列问题。目前基 本上都采用分布式多控制器部署模式，而网络中控制器的数量以及位置对整个 网络的性能造成了直接的影响。因此，本发明研究了软件定义数据中心下控制 器的部署问题，将网络部署成本和网络可靠性作为优化目标，提出了一种基于 可靠性的主备控制器部署方法，在保证网络中所部署的控制器数量尽可能少的 情况下，最大化整个网络的可靠性。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种旨在保证网络中所部署的 控制器数量尽可能少的情况下，最大化整个网络的可靠性的软件定义数据中心 下基于可靠性的主备控制器部署方法。本发明的技术方案如下：
一种软件定义数据中心下基于可靠性的主备控制器部署方法，其包括以 下步骤：
步骤一、首先，根据给定的网络拓扑，依照贪婪策略确定网络中主控制器的 数量以及部署位置；贪婪策略指在每一次求解步骤中，选取当前状态下的最佳 结果；
步骤二、其次，根据主控制器的位置，通过所定义的可靠性因子对网络中每 个交换机选取可靠性最佳的备用控制器；
步骤三、最后，通过上述步骤输出主备控制器的位置以及控制器与交换机之 间的映射关系。
进一步的，所述步骤一依照贪婪策略确定网络中主控制器的数量以及部 署位置，具体包括：
步骤A1：输入网络拓扑G(V,E)；当前主控制器集合
Figure BDA0002010499440000021
主控制器与交换 机的映射集合
Figure BDA0002010499440000022
对于主控制器
Figure BDA0002010499440000023
其控制域内的交换机集合为
Figure BDA0002010499440000024
跳数限 制hop；
步骤A2：根据网络拓扑生成网络中节点关系矩阵Matrix[n]，便于后续控制路 径的选择；
步骤A3：遍历网络中节点交换机，对于交换机vi，判断其是否被任一控制器 管控，若未被管控，则将其作为主控制器候选者，转到步骤A4；若已被管控， 继续；
步骤A4：根据节点关系矩阵Matrix[n]，计算交换机vi作为主控制器在hop跳以 内可以管控的交换机数量，判断其是否为管控交换机数量最多的主控制器候选 者，若是，则更新当前控制器集合CM←vi，更新控制器与交换机的映射集合
Figure BDA0002010499440000025
若不是，返回步骤A3；
步骤A5：检查网络中是否存在未被管控的交换机，若存在，返回步骤A3， 进入下一次算法循环；反之，算法结束，输出主控制器集合CM，主控制器与交 换机的映射集合
Figure BDA0002010499440000031
进一步的，所述步骤二根据主控制器的位置，对网络中每个交换机选取可靠 性最佳的备用控制器，具体包括：
步骤B1：输入网络拓扑G(V,E)、主控制器集合CM、主控制器与交换机的映射 集合
Figure BDA0002010499440000032
备用控制器集合CB、备用控制器与交换机的映射集合
Figure BDA0002010499440000033
对于备用 控制器
Figure BDA0002010499440000034
其控制域内的交换机集合为
Figure BDA0002010499440000035
待定交换机集合Stmp，跳数限制hop；
步骤B2：遍历网络中节点交换机，对于交换机vi，判断其在hop跳以内能否连 接到除自身主控制器以外的其他控制器，若能，则更新待定交换机集合Stmp←vi； 若不能，则将其作为备用控制器候选者，转到步骤B3；
步骤B3：计算交换机vi作为备用控制器在hop跳以内可以管控的交换机数量， 判断交换机vi是否为管控交换机数量最多的备用控制器候选者，若是，则更新备 用控制器集合CB←vi，更新控制器与交换机的映射集合
Figure BDA0002010499440000036
若不是，返回步骤 B2；
步骤B4：检查网络中除待定交换机集合Stmp以外的交换机是否存在未被2个 控制器管控，若存在，返回步骤B2；若不存在，转到步骤B5；
步骤B5：遍历Stmp中交换机，对于每个交换机
Figure BDA0002010499440000037
判断其在hop跳以内能否 连接到CB中的任一控制器，若能，根据可靠性因子分别计算出其到CB中可达控 制器的可靠性和到CM中除自身主控制器以外的可达控制器的可靠性，选取可靠 性最大值对应的控制器作为交换机
Figure BDA0002010499440000038
的备用控制器，更新
Figure BDA0002010499440000039
若不能，根据可 靠性因子计算其到CM中除自身主控制器以外的可达控制器的可靠性，选取可靠 性最大值对应的控制器作为交换机
Figure BDA00020104994400000310
的备用控制器，更新
Figure BDA00020104994400000311
步骤B6：算法结束，输出备用控制器集合CB，备用控制器与交换机的映射集 合
Figure BDA00020104994400000312
进一步的，所述步骤B5中根据可靠性因子计算可靠性，具体包括：
定义
Figure BDA0002010499440000041
Figure BDA0002010499440000042
则可靠性因子表示为：
Figure BDA0002010499440000043
Figure BDA0002010499440000044
表示主备控制路径的相关性；
Figure BDA0002010499440000045
表示主备控制路径的差异性；
Figure BDA0002010499440000046
表示主备控制路径的公共链路数；
Figure BDA0002010499440000047
表示交换机vi到主控制器的路径，
Figure BDA0002010499440000048
表示所经过的链路集合；
Figure BDA0002010499440000049
表示交换机vi到备用控制器的路径，
Figure BDA00020104994400000410
表示 所经过的链路集合。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明针对软件定义数据中心的控制器部署问题，提出了一种基于可靠性的 主备控制器部署方法。该方法共分为两个步骤：首先在进行主控制器选取时， 利用贪婪策略使得整个网络部署了最少的主控制器；其次，在进行备用控制器 的选取时，利用主备控制路径之间相关性以及差异性，通过定义一个可靠性因 子来确保在部分链路发生故障时不至于导致部分交换机的主备控制路径都发生 故障，同时保证了控制节点和控制路径的可靠性。另外，为了减少备用控制器 的部署成本，将部分主控制器选取为部分交换机的备用控制器。该方法在保证 网络中所部署的控制器数量尽可能少的情况下，最大化提升网络的可靠性。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例的软件定义数据中心下基于可靠性的主备控制器部署方法流程图；
图2是实施例中三种部署方法的网络平均可靠性对比图。
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：
如图1所示，本发明软件定义数据中心下基于可靠性的主备控制器部署方法 包括以下步骤：
步骤1：输入网络拓扑G(V,E)；当前主控制器集合
Figure BDA0002010499440000051
主控制器与交换 机的映射集合
Figure BDA0002010499440000052
对于主控制器
Figure BDA0002010499440000053
其控制域内的交换机集合为
Figure BDA0002010499440000054
当前备 用控制器集合CB；备用控制器与交换机的映射集合
Figure BDA0002010499440000055
对于备用控制器
Figure BDA0002010499440000056
其 控制域内的交换机集合为
Figure BDA0002010499440000057
待定交换机集合Stmp；跳数限制hop；
步骤2：根据网络拓扑生成网络中节点关系矩阵Matrix[n]；
步骤3：遍历网络中节点交换机，对于交换机vi，判断其是否被任一控制器管 控。若未被管控，则将其作为主控制器候选者，转到步骤4；若已被管控，继续；
步骤4：计算交换机vi作为主控制器在hop跳以内可以管控的交换机数量，判 断其是否为管控交换机数量最多的主控制器候选者。若是，则更新当前控制器 集合CM←vi，更新控制器与交换机的映射集合
Figure BDA0002010499440000058
若不是，返回步骤3；
步骤5：检查网络中是否存在未被管控的交换机。若存在，返回步骤3，进入 下一次算法循环；反之，已完成主控制器的选取，转到步骤6进行备用控制器 的选取；
步骤6：输入网络拓扑G(V,E)；主控制器集合CM；主控制器与交换机的映射 集合
Figure BDA0002010499440000059
当前备用控制器集合CB；备用控制器与交换机的映射集合
Figure BDA00020104994400000510
对于 备用控制器
Figure BDA00020104994400000511
其控制域内的交换机集合为
Figure BDA00020104994400000512
待定交换机集合Stmp；跳数限制 hop；
步骤7：遍历网络中节点交换机，对于交换机vi，判断其在hop跳以内能否连 接到除自身主控制器以外的其他控制器。若能，则更新待定交换机集合Stmp←vi； 若不能，则将其作为备用控制器候选者，转到步骤8；
步骤8：计算交换机vi作为备用控制器在hop跳以内可以管控的交换机数量， 判断其是否为管控交换机数量最多的备用控制器候选者。若是，则更新备用控 制器集合CB←vi，更新控制器与交换机的映射集合
Figure BDA0002010499440000061
若不是，返回步骤7；
步骤9：检查网络中除待定交换机集合Stmp以外的交换机是否存在未被2个控 制器管控。若存在，返回步骤7；若不存在，转到步骤10；
步骤10：遍历Stmp中交换机，对于每个交换机
Figure BDA0002010499440000062
判断其在hop跳以内能否连 接到CB中的任一控制器。若能，根据可靠性因子分别计算出其到CB中可达控制 器的可靠性和到CM中除自身主控制器以外的可达控制器的可靠性，选取可靠性 最大值对应的控制器作为交换机
Figure BDA0002010499440000063
的备用控制器，更新
Figure BDA0002010499440000064
若不能，根据可靠 性因子计算其到CM中除自身主控制器以外的可达控制器的可靠性，选取可靠性 最大值对应的控制器作为交换机
Figure BDA0002010499440000065
的备用控制器，更新
Figure BDA0002010499440000066
其中可靠性因子计算方式为：
Figure BDA0002010499440000067
Figure RE-GDA0002098255730000068
表示主备控制路径的相关性；
Figure RE-GDA0002098255730000069
表示主备控制路径的差异性；
Figure RE-GDA00020982557300000610
表示主备控制路径的公共链路数；
Figure RE-GDA00020982557300000611
表示交换机vi到主控制器的路径，
Figure RE-GDA00020982557300000612
表示所经过的链路集合；
Figure RE-GDA00020982557300000613
表示交换机vi到备用控制器的路径，
Figure RE-GDA00020982557300000614
表示 所经过的链路集合；
步骤11：检查算法是否结束。若算法结束，输出主控制器集合CM，主控制器 与交换机的映射集合
Figure RE-GDA00020982557300000615
输出备用控制器集合CB，备用控制器与交换机的映 射集合
Figure RE-GDA00020982557300000616
为了更好的理解上述技术方案，本实施例以其他技术方法ABC方法以及随 机部署方法进行对比。在本实施例中，图1是描述了在1000个节点的数据中心 网络拓扑下以本文所提的可靠因子作为可靠性时三种部署方法的网络平均可靠 性对比，本发明所提方法(MB-CPA)明显优于其他两种方法。
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 (2)

1.一种软件定义数据中心下基于可靠性的主备控制器部署方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、根据给定的网络拓扑，依照贪婪策略确定网络中主控制器的数量以及部署位置；贪婪策略指在每一次求解步骤中，选取当前状态下的最佳结果；
步骤二、根据主控制器的位置，通过所定义的可靠性因子对网络中每个交换机选取可靠性最佳的备用控制器；
步骤三、通过上述步骤输出主备控制器的位置以及控制器与交换机之间的映射关系；
所述步骤一依照贪婪策略确定网络中主控制器的数量以及部署位置，具体包括：
步骤A1：输入网络拓扑G(V,E)；当前主控制器集合
Figure FDA0003507083650000014
主控制器与交换机的映射集合
Figure FDA0003507083650000015
对于主控制器
Figure FDA0003507083650000011
其控制域内的交换机集合为
Figure FDA0003507083650000016
跳数限制hop；
步骤A2：根据网络拓扑生成网络中节点关系矩阵Matrix[n]，便于后续控制路径的选择；
步骤A3：遍历网络中节点交换机，对于交换机vi，判断其是否被任一控制器管控，若未被管控，则将其作为主控制器候选者，转到步骤A4；若已被管控，继续；
步骤A4：根据节点关系矩阵Matrix[n]，计算交换机vi作为主控制器在hop跳以内可以管控的交换机数量，判断其是否为管控交换机数量最多的主控制器候选者，若是，则更新当前控制器集合CM←vi，更新控制器与交换机的映射集合
Figure FDA0003507083650000012
若不是，返回步骤A3；
步骤A5：检查网络中是否存在未被管控的交换机，若存在，返回步骤A3，进入下一次算法循环；反之，算法结束，输出主控制器集合CM，主控制器与交换机的映射集合
Figure FDA0003507083650000013
所述步骤二根据主控制器的位置，通过所定义的可靠性因子对网络中每个交换机选取可靠性最佳的备用控制器；其中根据可靠性因子计算可靠性，具体包括：
定义
Figure FDA0003507083650000021
则可靠性因子表示为：
Figure FDA0003507083650000022
Figure FDA0003507083650000023
表示主备控制路径的相关性；
Figure FDA0003507083650000024
表示主备控制路径的差异性；
Figure FDA0003507083650000025
表示主备控制路径的公共链路数；
Figure FDA0003507083650000026
表示交换机vi到主控制器的路径，
Figure FDA0003507083650000027
表示所经过的链路集合；
Figure FDA0003507083650000028
表示交换机vi到备用控制器的路径，
Figure FDA0003507083650000029
表示所经过的链路集合。
2.根据权利要求1所述的一种软件定义数据中心下基于可靠性的主备控制器部署方法，其特征在于，所述步骤二根据主控制器的位置，通过所定义的可靠性因子对网络中每个交换机选取可靠性最佳的备用控制器，对网络中每个交换机选取可靠性最佳的备用控制器，具体包括：
步骤B1：输入网络拓扑G(V,E)、主控制器集合CM、主控制器与交换机的映射集合
Figure FDA00035070836500000210
备用控制器集合CB、备用控制器与交换机的映射集合
Figure FDA00035070836500000211
对于备用控制器
Figure FDA00035070836500000212
其控制域内的交换机集合为
Figure FDA00035070836500000213
待定交换机集合Stmp，跳数限制hop；
步骤B2：遍历网络中节点交换机，对于交换机vi，判断其在hop跳以内能否连接到除自身主控制器以外的其他控制器，若能，则更新待定交换机集合Stmp←vi；若不能，则将其作为备用控制器候选者，转到步骤B3；
步骤B3：计算交换机vi作为备用控制器在hop跳以内可以管控的交换机数量，判断交换机vi是否为管控交换机数量最多的备用控制器候选者，若是，则更新备用控制器集合CB←vi，更新控制器与交换机的映射集合
Figure FDA00035070836500000214
若不是，返回步骤B2；
步骤B4：检查网络中除待定交换机集合Stmp以外的交换机是否存在未被2个控制器管控，若存在，返回步骤B2；若不存在，转到步骤B5；
步骤B5：遍历Stmp中交换机，对于每个交换机
Figure FDA0003507083650000031
判断其在hop跳以内能否连接到CB中的任一控制器，若能，根据可靠性因子分别计算出其到CB中可达控制器的可靠性和到CM中除自身主控制器以外的可达控制器的可靠性，选取可靠性最大值对应的控制器作为交换机
Figure FDA0003507083650000032
的备用控制器，更新
Figure FDA0003507083650000033
若不能，根据可靠性因子计算其到CM中除自身主控制器以外的可达控制器的可靠性，选取可靠性最大值对应的控制器作为交换机
Figure FDA0003507083650000034
的备用控制器，更新
Figure FDA0003507083650000035
步骤B6：算法结束，输出备用控制器集合CB，备用控制器与交换机的映射集合
Figure FDA0003507083650000036
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