CN112260959A - 一种云数据中心sdn网络负载均衡实现的方法 - Google Patents

一种云数据中心sdn网络负载均衡实现的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种云数据中心SDN网络负载均衡实现的方法，包括以下步骤：S1:收集全网信息，初始化网络拓扑信息表；S2:计算所有源主机到目的主机之间所有可用路径并将其存放到边缘交换机信息表中；以T为时间周期，控制器获取所有边缘交换机以及中心交换机发送流量；S3:SDN控制器实时计算路径，并为新流量计算路径；S4:SDN控制器将流量的传输路径的信息存放到路径监控表中，周期性地对路径监测表中的路径信息进行核查；S5:当网络的负载平衡度低于阈值时，并且路径的调整次数小于设定值N时，调整该流量的传输路径策略；S6:流量传输完毕时，SDN控制器将会删除其在路经监测表以及路径切换次数表中的数据。

Description

一种云数据中心SDN网络负载均衡实现的方法
技术领域
本发明涉及一种数据处理方法，尤其是涉及一种云数据中心SDN网络 负载均衡实现的方法。
背景技术
SDN是一种新型的网络创新架构，利用OpenFlow协议将网络的控制管 理平面和数据转发平面分离开来。这种架构使得网络传输设备(SDN交换机) 的功能被简化，其原本承担的控制工作都交由上层的控制器来完成，自己只 需要按照要求转发数据，因此SDN是一个集中式控制网络。控制器主要负 责监控网络、通过下发流表项为每条数据流安排转发路径。因为控制器可以 根据交换机上报的全网信息对每条流进行控制，所以SDN能够提供更加细 粒度的流量管理与路由调度。SDN的这种集中式控制使网络管理员和科研工 作者只需要在控制层北向接口的应用程序中进行编程就可以对网络进行管 理、配置及研究，大大增加了网络的可扩展性。由于软件定义网络具有的上 述优点，其已经在数据中心以及广域网等场景中得到广泛使用。知名互联网 公司Facebook、Google等都在他们的数据中心中使用OpenFlow协议，采用 软件定义网络架构来优化数据中心网络的性能；Cisco、华为等网络设备制 造商也都大力开展了软件定义网络的研究。
软件定义网络SDN作为一种能够集中式收集网络资源、管理网络状态 的新型网络架构越来越受到学术届与企业界的关注。通过将SDN技术应用 于数据中心，能够有效提高数据中心的自动化配置与管理。在基于SDN的 数据中心的研究中，相关算法均可在流量到达交换机时决定转发路径，但在 流量传输中不能改变传输路径。
且由于少数环节拥挤而大部分链接未被充分利用，导致数据中心网络发 生拥塞，互联网基础设施经历不平衡的交通负荷。目前，动态流量管理对于 数据中心具有重要意义，因为访问计算和存储资源的处理速度是影响用户体 验质量的重要因素。加载平衡可以平均分配多个流量路径，使网络能够用更 少的时间处理更多的数据流。SDN的优势在于控制器具有网络的全局视图， 因此，可以在该过程中以更全面的方式建立转发规则，根据状态实时调整网 络流量，最终达到负载平衡的目标。
发明内容
本发明提供了一种云数据中心SDN网络负载均衡实现的方法，解决了 动态流量管理应用在数据中心网络的问题，其技术特征在于：
一种云数据中心SDN网络负载均衡实现的方法，包括以下步骤：
S1:收集全网信息，初始化网络拓扑信息表；
S2:SDN控制器根据网络信息表中的数据计算出所有源主机到目的主机 之间所有可用路径并将其存放到边缘交换机信息表中；
以T为时间周期，控制器获取所有边缘交换机以及中心交换机发送流量 的情况，将流量类型及发送流量的多少统计出来，存放到流量信息表中；
S3:SDN控制器实时计算路径，并为新流量计算路径；
S4:SDN控制器将流量的传输路径的信息存放到路径监控表中，周期性 地对路径监测表中的路径信息进行核查；
S5:当网络的负载平衡度低于阈值时，并且路径的调整次数小于设定值 N时，调整该流量的传输路径策略；
S6:流量传输完毕时，SDN控制器将会删除其在路经监测表以及路径切 换次数表中的数据。
进一步的，步骤S1中，其操作包括以下步骤：
S11:SDN控制器以LLDP为基础作为链路发现协议,修改控制器的行为 限制LLDP的packet-out消息数目,其中不再包含控制器的每个端口号；
S12:SDN控制器为每个交换机插入了设定规则,规则是指定控制器收到 的每个LLDP包将被所有端口转发，源MAC地址也将会被改为发出端口的 地址；
S13:SDN控制器修改控制器的packet-in处理机制,不再分析LLDP负载 中的端口号,取而代之的是以太网头部的源MAC地址来查找端口ID。
进一步的，步骤S3中，SDN控制器为新的流量计算路径，选择路径最 短，且路径上可用带宽大于新到流量的带宽的路径作为其传输路径，并且将 路径中所有有关的交换机进行记录。
进一步的，步骤S4中，核查是在时间周期T中，SDN控制器计算路径 监控表中存放的所有路径，和预先设定好的负载平衡度进行比较。
进一步的，步骤S5中，负载平衡度的计算包括以下步骤：
S51：一条路径上的可用带宽被定义为这条路径上所有链路的可用带宽 中最小的一条，在交换机SWi到交换机SWj的所有路径中，第k条路径Pk的带宽利用率应当为
Figure RE-GDA0002841768730000031
Figure RE-GDA0002841768730000032
其中，Li(t)表示在t时刻链路的占用带宽，B表示链路的最大带宽，Li表 示路径Pk中第i条链路，且所有链路的最大带宽为同一个值；
S52:负载平衡度a(t)是发明用来作为判断是否触发动态流量策略调整的 阈值，它表示网络负载均衡的能力：
Figure RE-GDA0002841768730000033
其中，K表示所有在路径监控表中被记录的路径数量，
Figure RE-GDA0002841768730000034
表示实时 的所有路径的平均带宽利用率；
S53:如果a(t)＜A，SDN控制器重新根据设定方法选择一条可用路径， 其中，A的大小为预先设计的估计值，在实践中根据网络情况进行调整。
步骤S53中，可用路径选择必须满足在上一个时间周期T中，备选路径 的可用带宽值要高于所要变更的路径的占用带宽，且备选路径没有被新的流 量所占用。
进一步的，步骤S6中，通过周期性地对网络进行监测，对于路径是否 还需要执行转发任务，SDN控制器会通过查询网络状态监测模块中的流表流 量信息表作出相应的决定，如果一种流量完成了传输，控制器会删除存放在 路经监测表中该种流量传输时所使用的路径，并且将路径切换次数表中对于 该路径的相关信息进行清除。
本发明通过动态地调整流量表的路径选择策略，使得云数据中心在兼容 国产设备的时候，能很好地避免负载不平衡的情况发生，有效地推送国产化 在云数据中心的应用。
附图说明
图1是所述云数据中心SDN网络负载均衡实现的方法的流程示意图。
具体实施方式
如图1所示，所述云数据中心SDN网络负载均衡实现的方法，包括的 具体过程步骤如下:
步骤一:收集全网信息，初始化网络拓扑信息表：SDN控制器以 LLDP(链路层发现协议)为基础作为链路发现协议,修改控制器的行为限制 LLDP的packet-out消息数目,其中不再包含每个端口号；
为每个交换机插入了新的规则,指定控制器收到的每个LLDP包将被所 有可能的端口转发,源MAC地址将会被改为发出端口的地址；
修改控制器的packet-in处理机制,不再分析LLDP负载中的端口号,取 而代之的是以太网头部的源MAC地址来查找端口ID。
步骤二：SDN控制器根据网络信息表中的数据计算出所有源主机到目 的主机之间所有可用路径并将其存放到边缘交换机信息表中；
以T为时间周期，控制器获取所有边缘交换机以及中心交换机发送流量 的情况，将流量类型及发送流量的多少统计出来，存放到流量信息表中。
步骤三：每当一种新的流量到来时，SDN控制器为其计算路径，选择 路径最短，且路径上可用带宽大于新到流量的带宽的路径作为其传输路径， 并且将路径中所有有关的交换机进行记录。
步骤四：SDN控制器将流量的传输路径的信息存放到路径监控表中， 周期性地对路径监测表中的路径信息进行核查，在时间周期T中，控制器计 算路径监控表中存放的所有路径，和预先设定好的负载平衡度进行比较。
步骤五：当网络的负载平衡度低于阈值时，并且路径的调整次数小于N 时，将对该流量的传输路径按照步骤三进行再次选择。
所述负载平衡度的计算如下：
一条路径上的可用带宽被定义为这条路径上所有链路的可用带宽中最 小的一条，在交换机SWi到交换机SWj的所有路径中，第k条路径Pk的带 宽利用率应当为
Figure RE-GDA0002841768730000051
Figure RE-GDA0002841768730000052
其中，Li(t)表示在t时刻链路的占用带宽，B表示链路的最大带宽，Li表示路 径Pk中第i条链路，本发明中定义所有链路的最大带宽为同一个值。
负载平衡度a(t)是发明用来作为判断是否触发动态流量策略调整的阈 值，它表示网络负载均衡的能力：
Figure RE-GDA0002841768730000053
其中，K表示所有在路径监控表中被记录的路径数量，
Figure RE-GDA0002841768730000054
表示实时 的所有路径的平均带宽利用率。
如果α(t)＜A，SDN控制器重新根据下面的方法选择一条更佳的可用 路径，其中，A的大小为预先设计的估计值，可在实践中根据网络情况进 行调整。
新的路径选择必须满足：
在上一个时间周期T中，备选路径的可用带宽值要高于所要变更的路径 的占用带宽；且备选路径没有被新的流量所占用。
步骤六：当既定的流量传输完毕时，SDN控制器将会删除其在路经监测 表以及路径切换次数表中的数据。通过周期性地对网络进行监测，对于路径 是否还需要执行转发任务，SDN控制器会通过查询网络状态监测模块中的流 表流量信息表作出相应的决定，如果一种流量完成了传输，控制器会删除存 放在路经监测表中该种流量传输时所使用的路径，并且将路径切换次数表中 对于该路径的相关信息进行清除。
本发明通过动态地调整流量表的路径选择策略，使得云数据中心在兼容 国产设备的时候，能很好地避免负载不平衡的情况发生，有效地推送国产化 在云数据中心的应用。

Claims (7)

1.一种云数据中心SDN网络负载均衡实现的方法，包括以下步骤：
S1：收集全网信息，初始化网络拓扑信息表；
S2：SDN控制器根据网络信息表中的数据计算出所有源主机到目的主机之间所有可用路径并将其存放到边缘交换机信息表中；
以T为时间周期，控制器获取所有边缘交换机以及中心交换机发送流量的情况，将流量类型及发送流量的多少统计出来，存放到流量信息表中；
S3：SDN控制器实时计算路径，并为新流量计算路径；
S4：SDN控制器将流量的传输路径的信息存放到路径监控表中，周期性地对路径监测表中的路径信息进行核查；
S5：当网络的负载平衡度低于阈值时，并且路径的调整次数小于设定值N时，调整该流量的传输路径策略；
S6：流量传输完毕时，SDN控制器将会删除其在路经监测表以及路径切换次数表中的数据。
2.根据权利要求1所述的云数据中心SDN网络负载均衡实现的方法，其特征在于：步骤S1中，其操作包括以下步骤：
S11：SDN控制器以LLDP为基础作为链路发现协议，修改控制器的行为限制LLDP的packet-out消息数目，其中不再包含控制器的每个端口号；
S12：SDN控制器为每个交换机插入了设定规则，规则是指定控制器收到的每个LLDP包将被所有端口转发，源MAC地址也将会被改为发出端口的地址；
S13：SDN控制器修改控制器的packet-in处理机制.不再分析LLDP负载中的端口号，取而代之的是以太网头部的源MAC地址来查找端口ID。
3.根据权利要求1所述的云数据中心SDN网络负载均衡实现的方法，其特征在于：步骤S3中，SDN控制器为新的流量计算路径，选择路径最短，且路径上可用带宽大于新到流量的带宽的路径作为其传输路径，并且将路径中所有有关的交换机进行记录。
4.根据权利要求1所述的云数据中心SDN网络负载均衡实现的方法，其特征在于：步骤S4中，核查是在时间周期T中，SDN控制器计算路径监控表中存放的所有路径，和预先设定好的负载平衡度进行比较。
5.根据权利要求1所述的云数据中心SDN网络负载均衡实现的方法，其特征在于：步骤S5中，负载平衡度的计算包括以下步骤：
S51：一条路径上的可用带宽被定义为这条路径上所有链路的可用带宽中最小的一条，在交换机SWi到交换机SWj的所有路径中，第k条路径Pk的带宽利用率应当为
Figure RE-FDA0002841768720000021
Figure RE-FDA0002841768720000022
其中，Li(t)表示在t时刻链路的占用带宽，B表示链路的最大带宽，Li表示路径Pk中第i条链路，且所有链路的最大带宽为同一个值；
S52：负载平衡度α(t)是发明用来作为判断是否触发动态流量策略调整的阈值，它表示网络负载均衡的能力：
Figure RE-FDA0002841768720000023
其中，K表示所有在路径监控表中被记录的路径数量，
Figure RE-FDA0002841768720000024
表示实时的所有路径的平均带宽利用率；
S53：如果α(t)<A，SDN控制器重新根据设定方法选择一条可用路径，其中，A的大小为预先设计的估计值，在实践中根据网络情况进行调整。
6.根据权利要求5所述的云数据中心SDN网络负载均衡实现的方法，其特征在于：步骤S53中，可用路径选择必须满足在上一个时间周期T中，备选路径的可用带宽值要高于所要变更的路径的占用带宽，且备选路径没有被新的流量所占用。
7.根据权利要求1所述的云数据中心SDN网络负载均衡实现的方法，其特征在于：步骤S6中，通过周期性地对网络进行监测，对于路径是否还需要执行转发任务，SDN控制器会通过查询网络状态监测模块中的流表流量信息表作出相应的决定，如果一种流量完成了传输，控制器会删除存放在路经监测表中该种流量传输时所使用的路径，并且将路径切换次数表中对于该路径的相关信息进行清除。
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