CN111953600A - 基于sdn的储能数据中心业务流量调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SDN的储能数据中心业务流量调度方法，包括构建储能数据中心网络拓扑，对网络整体进行分层，建立网络数据传输规则，并对业务流量进行分类；对储能数据中心的交换机进行分类；选择传输路由；实时进行重路由；实时调整交换机所传输的业务流量类别。本发明从不同业务类型的角度出发，充分利用Fat‑tree网络结构的优势，对业务类型分类并分别调度，满足资源利用率和业务传输质量的要求；将核心交换机及所连链路分类并分别传送业务流量，高效快捷，针对性强，减少网络拥塞的发生；同时，当某类核心交换机在一个周期内始终空闲，则允许其在下个周期传输另一种类型的流量，避免交换机始终处于空闲状态，节约网络资源。

Description

基于SDN的储能数据中心业务流量调度方法

技术领域

本发明属于通信领域，具体涉及一种基于SDN的储能数据中心业务流量调度方法。

背景技术

随着经济技术的发展和信息化时代的来临，现有的数据中心的规模和数量越来越多，能耗和投资也越来越大。储能系统的引入，为数据中心提供了持续的电力能源保障，并且可以充分利用储能系统的峰值削峰和谷值填充功能，节约用电成本和降低能耗，因此储能型数据中心必将成为一种全球发展的趋势。

由于储能数据中心汇聚了大量不同类型的业务，种类丰富，流量特征复杂，为满足不同业务的服务质量(QualityofService，QoS)保障，储能数据中心对整体的网络性能提出了更高的要求。面对如此庞大的网络体系，储能数据中心中的众多数据必须以数据流的形式进行传输。在网络边缘层，设备需要对数据流进行分类：广义上大致可分为话音业务、实时业务、批处理业务、网络控制业务等。传统的业务流调度过于简单，不同业务之间冲突严重，关键业务难以得到保证，并不能满足储能数据中心密度大服务广的要求。而软件定义网络(SoftwireDefinedNetwork，SDN)作为一种新型的网络架构，采用了Openflow核心技术，将其应用于储能数据中心中，能够集中有效地调度各种业务流量，利用数据平面和控制平面分离的思想，对储能数据中心业务流量调度具有重要意义。

将SDN控制器引入储能数据中心，可以优化网络业务流转发与路由，提高流量传输性能。因此，基于SDN的储能数据中心网络的业务流量传输与调度是一个值得深入探讨的问题。但是，目前的流量调度方法针对不同业务类型的研究比较匮乏，且传统方法很容易造成一些网络拥塞和开销过大等问题。

传统的等价多路径路由策略(ECMP)是一种基于哈希运算的随机负载均衡方案，根据哈希值随机选择一条路径作为流的转发路径。该方法简单易实现且时延低，但却容易产生拥塞，忽略了业务流对带宽的需求，并未考虑整个网络的流量状态，具有一定的局限性。Hedera是一个基于SDN的动态的流调度方案，它自适应地调度一个多级交换拓扑结构，以有效地利用网络资源。Hedera利用SDN控制器从边缘交换机收集流信息，估计流的带宽需求，一旦超过了规定值(如5％链路带宽)，则将该条流标记为大流，为流计算非冲突路径，并指示交换机相应地重新路由流量。总体而言，Hedera补充了ECMP，但却存在控制器开销过大的问题。Mahout算法被提出来用于减小集中控制带来的开销。它采用类似Openflow的中央控制器方法进行网络管理，但增加了新终端主机机制的设计。一旦终端检测到大流，终端主机将使用低开销的带内信令向网络控制器发送信号。然而，这种Mahout算法复杂性过高，实现起来比较困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可靠性高、实时性好且易于实施的基于SDN的储能数据中心业务流量调度方法。

本发明提供的这种基于SDN的储能数据中心业务流量调度方法，包括如下步骤：

构建储能数据中心网络拓扑，对网络整体进行分层，建立网络数据传输规则，并对业务流量进行分类的步骤；

根据业务流量的分类结果，对储能数据中心的交换机进行分类的步骤；

根据需要传输的业务流量的类别和交换机的类别，选择传输路由的步骤；

SDN控制器实时监测网络链路的负载情况，并实时进行重路由的步骤；

SDN控制器实时监测交换机的负载情况，并实时调整交换机所传输的业务流量类别的步骤。

所述的构建储能数据中心网络拓扑，对网络整体进行分层，建立网络数据传输规则，并对业务流量进行分类的步骤，具体包括如下步骤：

构建储能数据中心网络拓扑：储能数据中心网络采用Fat-tree拓扑结构；

对网络整体进行分层：将网络里所有的交换机整体分为三层，包括核心层交换机、聚合层交换机和边缘层交换机；

建立网络数据传输规则：每一个边缘交换机均与两个主机相连，一组聚合交换机和一组边缘交换机构成一个传送点pod，每一个传送点pod都与上层的每一个核心交换机相连；每一个交换机都受SDN控制器的集中控制；必须通过核心交换机实现业务流在不同传送点pod之间的传输；

对业务流量进行分类：分为时延敏感型业务和吞吐量敏感型业务。

所述的根据业务流量的分类结果，对储能数据中心的交换机进行分类的步骤，具体为将核心交换机及其所连的链路平均分为两类，一类用于传输延敏感型业务，另一类用于传输吞吐量敏感型业务。

根据需要传输的业务流量的类别和交换机的类别，选择传输路由的步骤，具体为采用如下步骤选择传输路由：

A.边缘层交换机识别业务类型：为时延敏感型业务或吞吐量敏感型业务；

B.若业务类型为时延敏感型业务，则将所有与时延敏感型交换机相连的路径作为备选路径，采用ECMP等价多路径路由算法，向核心层的时延敏感型交换机请求一条路径作为转发路径；

C.若业务类型为吞吐量敏感型业务，则将数据包封装成PACKET_IN消息，并向SDN控制器上传；SDN控制器在所有与吞吐量敏感型核心交换机相连的路径中，选择平均链路利用率最低的路径作为传输路由。

所述的平均链路利用率，具体为采用如下算式进行计算：

式中ALU_p为路径p的平均链路利用率；l为所有链路的总数；C_i为链路i的容量；b_i为链路i上的流量所占用的带宽。

所述的SDN控制器实时监测网络链路的负载情况，并实时进行重路由的步骤，具体包括如下步骤：

a.SDN控制器实时监测网络链路的负载情况；

b.一旦监测到网络中某条链路j的负载超过了设定的阈值，则立刻寻找该条链路j上带宽需求最大的流；

c.SDN控制器在同类型核心交换机所连接的路径中，选择拥塞程度最小的一条路径，对步骤b得到的带宽需求最大的流进行重路由。

所述的拥塞程度，具体为采用如下算式进行计算：

式中con_p为路径p的拥塞程度；f_b为业务流量所占用的路径p的带宽；p_l为路径p的路径负载；p_b为路径p的路径带宽。

所述的SDN控制器实时监测交换机的负载情况，并实时调整交换机所传输的业务流量类别的步骤，具体包括如下步骤：

SDN控制器实时监测交换机的负载情况：

若在SDN控制器的一个监测周期内，某时延敏感型核心交换机一直处于空闲状态，则在下一个监测周期内，该时延敏感型核心交换机可以用于接收吞吐量敏感型流量；

若在SDN控制器的一个监测周期内，某吞吐敏感型核心交换机一直处于空闲状态，则在下一个监测周期内，该吞吐量敏感型核心交换机可以用于接收时延敏感型流量。

本发明提供的这种基于SDN的储能数据中心业务流量调度方法，从不同业务类型的角度出发，充分利用Fat-tree网络结构的优势，对业务类型分类并分别调度，满足资源利用率和业务传输质量的要求；将核心交换机及所连链路分为两类，分别传送两类业务流量，高效快捷，针对性强，减少网络拥塞的发生；同时，当某类核心交换机在一个周期内始终空闲，则允许其在下个周期传输另一种类型的流量，避免交换机始终处于空闲状态，节约网络资源；因此，本发明方法的可靠性高、实时性好且易于实施。

附图说明

图1为本发明方法的方法流程示意图。

具体实施方式

如图1所示为本发明方法的方法流程示意图：本发明提供的这种基于SDN的储能数据中心业务流量调度方法，包括如下步骤：

构建储能数据中心网络拓扑，对网络整体进行分层，建立网络数据传输规则，并对业务流量进行分类的步骤；具体包括如下步骤：

构建储能数据中心网络拓扑：储能数据中心网络采用Fat-tree拓扑结构；

对网络整体进行分层：将网络里所有的交换机整体分为三层，包括核心层交换机、聚合层交换机和边缘层交换机；

建立网络数据传输规则：每一个边缘交换机均与两个主机相连，一组聚合交换机和一组边缘交换机构成一个传送点pod，每一个传送点pod都与上层的每一个核心交换机相连；每一个交换机都受SDN控制器的集中控制；必须通过核心交换机实现业务流在不同传送点pod之间的传输；

对业务流量进行分类：分为时延敏感型业务和吞吐量敏感型业务；

根据业务流量的分类结果，对储能数据中心的交换机进行分类的步骤；具体为将核心交换机及其所连的链路平均分为两类，一类用于传输延敏感型业务，另一类用于传输吞吐量敏感型业务；

根据需要传输的业务流量的类别和交换机的类别，选择传输路由的步骤；具体为采用如下步骤选择传输路由：

A.边缘层交换机识别业务类型：为时延敏感型业务或吞吐量敏感型业务；

B.若业务类型为时延敏感型业务，则将所有与时延敏感型交换机相连的路径作为备选路径，采用ECMP等价多路径路由算法，向核心层的时延敏感型交换机请求一条路径作为转发路径；

C.若业务类型为吞吐量敏感型业务，则将数据包封装成PACKET_IN消息，并向SDN控制器上传；SDN控制器在所有与吞吐量敏感型核心交换机相连的路径中，选择平均链路利用率最低的路径作为传输路由；

其中，平均链路利用率采用如下算式进行计算：

式中ALU_p为路径p的平均链路利用率；l为所有链路的总数；C_i为链路i的容量；b_i为链路i上的流量所占用的带宽；

SDN控制器实时监测网络链路的负载情况，并实时进行重路由的步骤；具体包括如下步骤：

a.SDN控制器实时监测网络链路的负载情况；

b.一旦监测到网络中某条链路j的负载超过了设定的阈值，则立刻寻找该条链路j上带宽需求最大的流；

c.SDN控制器在同类型核心交换机所连接的路径中，选择拥塞程度最小的一条路径，对步骤b得到的带宽需求最大的流进行重路由；

在具体实施时，拥塞程度采用如下算式进行计算：

式中con_p为路径p的拥塞程度；f_b为业务流量所占用的路径p的带宽；p_l为路径p的路径负载；p_b为路径p的路径带宽；

SDN控制器实时监测交换机的负载情况，并实时调整交换机所传输的业务流量类别的步骤；具体包括如下步骤：

SDN控制器实时监测交换机的负载情况：

若在SDN控制器的一个监测周期内，某时延敏感型核心交换机一直处于空闲状态，则在下一个监测周期内，该时延敏感型核心交换机可以用于接收吞吐量敏感型流量；

若在SDN控制器的一个监测周期内，某吞吐量敏感型核心交换机一直处于空闲状态，则在下一个监测周期内，该吞吐量敏感型核心交换机可以用于接收时延敏感型流量。

以下结合一个具体实施，对本发明方法进行进一步说明：

本实例中，假设有4个核心交换机按序分布，编号分别为3001、3002、3003、3004，则将其分为两类，3001和3004为时延敏感型核心交换机，专门接收时延敏感型业务流量，3002和3003为吞吐量敏感型核心交换机，专门接收吞吐量敏感型业务流量。

假设控制器监测周期为2秒且新的一轮监测周期刚刚开始，链路带宽均为100Mbps。若当前周期内有8条业务流，边缘交换机根据端口号判断出其中3条时延敏感型业务流，5条吞吐量敏感型业务流。

两种类型分别以一条流为例进行说明。首先判断每条时延敏感型业务流的目的地是否与发送主机处于同一个pod内，若是则向下进行交付，若不是，则通过ECMP方法向上把数据包随机传送给编号为3001、3004的时延敏感型核心交换机进行转发。若为吞吐量敏感型业务，则向SDN控制器上传PACKET_IN消息为其选路。假设有四条途经核心层吞吐量敏感型交换机的备选路径，每条路径的链路数分别为6、6、4、4，四条路径已占用各段链路带宽分别为40Mbps、70Mbps、60Mbps、50Mbps、45Mbps、30Mbps；45Mbps、50Mbps、65Mbps、70Mbps、40Mbps、60Mbps；55Mbps、60Mbps、40Mbps、60Mbps；30Mbps、60Mbps、80Mbps、55Mbps；则可以计算得出四条路径的平均链路利用率：

取四条路径中平均链路利用率最低的一条进行路由，min{ALU₁,ALU₂,ALU₃,ALU₄}＝ALU₁＝0.492；因此选择第一条路径作为转发路径。

SDN控制器始终周期性监测网络链路的负载情况，假设链路负载阈值Tr＝80Mbps，一旦检测出某条链路的负载Load_i超过了80Mbps，则控制器立刻寻找当前链路上带宽需求最大的流对其重路由。若途经同类型的核心交换机有3条备选路径，则计算这3条路径的拥塞度，取拥塞度最小的一条路径为流重路由。在这里，路径带宽均为100Mbps，3条路径流量已占用带宽f_b分别为5Mbps、10Mbps、5Mbps，路径负载p_l分别为30Mbps、45Mbps、40Mbps，则可以计算3条路径的拥塞度：

取3条链路中拥塞度最小的一条路径为流进行重路由，min{con₁,con₂,con₃}＝con₁＝0.35，因此选择第一条路径作为重路由路径。

在控制器的一个监测周期内，若时延敏感型核心交换机3001或3004始终处于空闲状态，则在下个周期可接收吞吐量敏感型流量；

同样的，若吞吐量敏感型核心交换机3002或3003始终空闲，则在下个周期可接收时延敏感型流量。

Claims (8)

1.一种基于SDN的储能数据中心业务流量调度方法，包括如下步骤：

构建储能数据中心网络拓扑，对网络整体进行分层，建立网络数据传输规则，并对业务流量进行分类的步骤；

根据业务流量的分类结果，对储能数据中心的交换机进行分类的步骤；

根据需要传输的业务流量的类别和交换机的类别，选择传输路由的步骤；

SDN控制器实时监测网络链路的负载情况，并实时进行重路由的步骤；

SDN控制器实时监测交换机的负载情况，并实时调整交换机所传输的业务流量类别的步骤。

2.根据权利要求1所述的基于SDN的储能数据中心业务流量调度方法，其特征在于所述的构建储能数据中心网络拓扑，对网络整体进行分层，建立网络数据传输规则，并对业务流量进行分类的步骤，具体包括如下步骤：

构建储能数据中心网络拓扑：储能数据中心网络采用Fat-tree拓扑结构；

对网络整体进行分层：将网络里所有的交换机整体分为三层，包括核心层交换机、聚合层交换机和边缘层交换机；

建立网络数据传输规则：每一个边缘交换机均与两个主机相连，一组聚合交换机和一组边缘交换机构成一个传送点pod，每一个传送点pod都与上层的每一个核心交换机相连；每一个交换机都受SDN控制器的集中控制；必须通过核心交换机实现业务流在不同传送点pod之间的传输；

对业务流量进行分类：分为时延敏感型业务和吞吐量敏感型业务。

3.根据权利要求2所述的基于SDN的储能数据中心业务流量调度方法，其特征在于所述的根据业务流量的分类结果，对储能数据中心的交换机进行分类的步骤，具体为将核心交换机及其所连的链路平均分为两类，一类用于传输延敏感型业务，另一类用于传输吞吐量敏感型业务。

4.根据权利要求3所述的基于SDN的储能数据中心业务流量调度方法，其特征在于根据需要传输的业务流量的类别和交换机的类别，选择传输路由的步骤，具体为采用如下步骤选择传输路由：

A.边缘层交换机识别业务类型：为时延敏感型业务或吞吐量敏感型业务；

B.若业务类型为时延敏感型业务，则将所有与时延敏感型交换机相连的路径作为备选路径，采用ECMP等价多路径路由算法，向核心层的时延敏感型交换机请求一条路径作为转发路径；

C.若业务类型为吞吐量敏感型业务，则将数据包封装成PACKET_IN消息，并向SDN控制器上传；SDN控制器在所有与吞吐量敏感型核心交换机相连的路径中，选择平均链路利用率最低的路径作为传输路由。

5.根据权利要求4所述的基于SDN的储能数据中心业务流量调度方法，其特征在于所述的平均链路利用率，具体为采用如下算式进行计算：

式中ALU_p为路径p的平均链路利用率；l为所有链路的总数；C_i为链路i的容量；b_i为链路i上的流量所占用的带宽。

6.根据权利要求4所述的基于SDN的储能数据中心业务流量调度方法，其特征在于所述的SDN控制器实时监测网络链路的负载情况，并实时进行重路由的步骤，具体包括如下步骤：

a.SDN控制器实时监测网络链路的负载情况；

b.一旦监测到网络中某条链路j的负载超过了设定的阈值，则立刻寻找该条链路j上带宽需求最大的流；

c.SDN控制器在同类型核心交换机所连接的路径中，选择拥塞程度最小的一条路径，对步骤b得到的带宽需求最大的流进行重路由。

7.根据权利要求6所述的基于SDN的储能数据中心业务流量调度方法，其特征在于所述的拥塞程度，具体为采用如下算式进行计算：

式中con_p为路径p的拥塞程度；f_b为业务流量所占用的路径p的带宽；p_l为路径p的路径负载；p_b为路径p的路径带宽。

8.根据权利要求4所述的基于SDN的储能数据中心业务流量调度方法，其特征在于所述的SDN控制器实时监测交换机的负载情况，并实时调整交换机所传输的业务流量类别的步骤，具体包括如下步骤：

SDN控制器实时监测交换机的负载情况：

若在SDN控制器的一个监测周期内，某时延敏感型核心交换机一直处于空闲状态，则在下一个监测周期内，该时延敏感型核心交换机可以用于接收吞吐量敏感型流量；

若在SDN控制器的一个监测周期内，某吞吐敏感型核心交换机一直处于空闲状态，则在下一个监测周期内，该吞吐量敏感型核心交换机可以用于接收时延敏感型流量。

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