CN113347514B - 基于多路径生存性保护的软件定义光网络控制器部署方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种基于多路径生存性保护的软件定义光网络控制器部署方法，属于网络技术领域，应用于二层SDN控制器的部署。在保证用户对控制平面生存性需求的前提下，提出多控制器多路径协同管控交换节点的情况，进一步减少控制器数量，控制成本。本发明先求出交换机与控制器具有唯一链路的的控制器部署方案，该方案含有冗余控制器，需进一步减少控制器数量。本发明采用后验的思想，即根据部署结果，验证每个交换机的故障概率是否低于用户要求得故障概率。逐步减少控制器数量，时刻保证交换机的生存概率，直到控制器部署数量达到最小。最后选出通讯时延最低的控制器作为管控中心，完成整个控制平面的部署工作。

Description

基于多路径生存性保护的软件定义光网络控制器部署方法

技术领域

本发明属于软件定义光网络中控制平面的多路径生存性设计部分，具体是在控制平面中综合区域管控与集中管控的二层SDN控制器的部署方法。

背景技术

随着IP业务的快速增长，人们对于网络带宽的需求变得越来越高，对网络带宽的动态分配要求也越来越迫切。因此，光网络以其强大的传输能力在现代信息技术中起到愈发重要的作用。

软件定义光网络(Software Defined Optical Networks,SDON)是一种对软件定义网络技术(Software Defined Networks,SDN)在智能光网络控制层面的具体应用，它将光网络分为数据平面和控制平面。其中数据平面专门用于业务流量的哑转发，控制平面主要包括用软件编程的方式进行驱动的控制器为各种光层资源提供统一的调度和控制能力，以实现对具有庞大数据流量的光网络的动态管控。

SDON控制平面承载着整个网络的核心业务，一旦控制平面与数据平面失联，数据平面将会大范围地失去数据转发能力。因此，保证控制平面生存性，是控制平面正常工作的首要目标。同时，减少控制平面的控制冗余、缩短其通讯时延也对网络的整体性能起到重要作用。

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[1]熊余,董先存,李圆圆,吕翊,王汝言.软件定义光网络中基于最小点覆盖的控制平面跨层生存性设计[J].电子与信息学报,2016,38(05):1211-1218.中提出基于最小点覆盖的控制平面生存性设计策略，建立了分级管控模型，设定不同级别控制器，既避免了对单个控制器的过度依赖，也避免了多个控制器之间的冲突，但该方法无法根据用户对时延的要求的不同而改变控制器部署方案。为解决这一问题，文献[2]曾帅,盖绍聪,张毅,赵国锋,左理政.软件定义光网络中一种时延约束的控制器生存性部署方法[J].电子与信息学报,2017,39(07):1727-1734.提出在时延约束下的控制器部署方法，充分考虑了时延、生存性和控制器冗余等因素。但该方法并不能满足用户对控制平面生存性的要求。进而，文献[3]曾帅,钱志华,赵天烽,任彦,王育杰.生存性条件约束下的软件定义光网络控制器部署算法[J].电子与信息学报,2020,42(10):2412-2419.提出了以生存性条件为约束的控制器部署方案，在保障控制平面生存性的前提下，有效降低了时延。但该方法没有考虑到网络节点被多个控制器协同管控的情况，未能有效降低控制平面的控制冗余，还有进一步优化的空间。

针对以上现有技术的不足，考虑到网络节点被多个控制器协同管控的情况，利用多控制器对转发设备进行多路径生存性保护，以提高系统整体抗毁性，并降低控制时延。多路径的多控制器管控模式较传统一对一控制链路，在保证用户生存性需求的同时，极大地降低了控制器的部署成本，减少了控制平面的通讯时延，是一种更高效、更合理的控制器部署方法。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于多路径生存性保护的软件定义光网络控制器部署方法。本发明的技术方案如下：

一种基于多路径生存性保护的软件定义光网络控制器部署方法，其包括以下步骤：

步骤1：根据用户指定概率P，求出单控制器下的最长控制链路长度W，以保证网络拓扑的生存性；

步骤2：利用弗洛伊德算法求出各交换机V之间的最短路径L_ij，将L_ij作为V_i、V_j之间连线的权值，SDON网络拓扑转换为完全二分图；删除任一L_ij>W的链路，保证所有可达路径长度均小于W，形成新的二分图G；

步骤3：重新把G转换为网络拓扑，把其中具有可达路径的交换机划分为同一区域，通常拓扑被划分为n个区域，第i个区域内的交换机用

表示，并把不同的区域构成集合

接着求出

中的最优极小支配集的集合{θ_i1,θ_i2,…,θ_in}，其中n表示极小支配集中交换机个数。最优极小支配集的部署位置就是单一控制器时的部署方案，得到含有冗余控制器的部署方案，用集合{C₁,C₂,…,C_n}表示；

步骤4：将集合{C₁,C₂,…,C_n}中的控制器按照自身管控的交换机数量从小到大重新排序，得到新的集合{C′₁,C′₂,…,C′_n}，并尝试删除控制器C′₁；

步骤5：当C′₁不再作为控制器后，孤立的交换机用集合{S₁,S₂,…,S_n}表示。利用弗洛伊德算法，为S_i寻找新的k(k≥2)条控制链路。此处，弗洛伊德算法用于寻找S_i到其他节点的最短路径，选择合适的控制链路及控制链路条数，使网络故障概率满足生存性要求。

步骤6：利用多控制器下的网络故障概率计算公式，判断S_i链接新的控制器后能否满足网络生存性，若集合{S₁,S₂,…,S_n}中所有交换机都找到符合条件的控制器及控制链路，则控制器C′₁可以被删除，将新连接的控制器添加到集合{V_pc1,V_pc2,…,V_pcn}中；反之，C′₁不能删除，将C′₁添加到集合{V_pc1,V_pc2,…,V_pcn}中；

步骤7：操作(讨论这个词有点不合适)完C′₁后，重复执行步骤4、5、6，直到集合{C′₁,C′₂,…,C′_n}中所有控制器操作完毕，集合{V_pc1,V_pc2,…,V_pcn}即为多路径生存性保护的SDON控制器部署方案；

步骤8：根据控制器之间的协调信令传输时延确定管控中心V_cc的部署位置。

进一步的，所述步骤2中利用弗洛伊德最短路径算法求出各交换机V之间的最短路径L_ij，具体包括：用矩阵M[i，j]表示V_i到V_j的最短距离，k是穷举i到j之间可能经过的中间点，当中间点为k时，对整个矩阵即从i到j的路径长度进行更新，对所有可能经过的中间点进行遍历以得到全局最优的最短路径。

进一步的，最长控制链路长度的计算公式为：

求出控制链路最大长度L，其中P为用户可接受最大故障概率，ρ为光纤百公里故障概率，接着将SDN交换机节点抽象成完全二分图，各节点间的最短路长度径作为二分图权值，删除二分图中权值大于L的链路，将二分图中可达节点划为同一区域，重新转化为网络拓扑。

进一步的，所述步骤3中最优极小支配集的确定条件具体为：选择节点数最小的极小支配集为其所在区域的最优极小支配集，以减少控制器的部署成本；若有多个符合条件的极小支配集，选择集合内节点的出度数之和最大的极小支配集，以此提高在部署成本最小化时控制平面的控制冗余。

进一步的，所述步骤4参考贪心算法，选择当前最优的集合{C₁,C₂,…,C_n}排序方式；将控制器管控的交换机数量作为评判标准；其中，管控数量越少的控制器，删除后对控制平面的影响越小，越易于删除，于是排在前面；因此，按照控制器管控交换机数量由小到大将集合重新排序得到集合{C′₁,C′₂,…,C′_n}。

进一步的，所述步骤5中，交换机与控制器之间不考虑冗余保护路径，即只有一条控制路径；修正后的弗洛伊德算法用于为S_i寻找N个控制器，并且N个控制器与S_i之间的控制链路无重边。

进一步的，所述步骤6中计算多控制下交换机的控制平面网络故障概率，按照公式(1)，其中P′表示孤立交换机节点S_i连接上新的控制器后发生故障的概率，集合{L₁,L₂,…,L_n}表示S_i与N个控制器之间无重边控制链路的长度，L_i表示第i条控制链路长度。根据公式，只要P′<P，即可认为S_i连接上新的控制器之后，满足用户要求的生存性；

进一步的，所述步骤8中，考虑到控制器之间的协调信令传输时延，V_cc节点的部署位置为到控制器部署节点平均交互时延最小的节点T_min＝min{T₁,T₂,…,T₃}，其中T(V_i,V_j)表示节点V_i与V_j之间的交互时延，T_i表示V_i与其他节点间的平均交互时延；

本发明的优点及有益效果如下：

在之前的研究中，交换机节点只受到一个控制器管理，并且仅有一条控制链路。按照这种方式虽然链路故障概率和链路长度易于转换，但是若该链路发生故障，控制平面无法正常工作。本发明考虑交换机节点同时受到多个控制器协同管控的情况，只要交换机与控制器之间的链路不同时发生故障，交换机仍然能正常工作，控制平面的故障概率可以得到极大的降低。

基于多路径生存性保护算法在保证控制平面生存性要求的前提下，较之前的单路径控制器部署算法明显减少控制器部署个数，降低控制平面部署成本。但是多路径生存性保护算法的控制平面故障概率与控制链路的数学关系复杂，控制链路与故障概率不易转换。本发明创新地先求出交换机与控制器具有唯一链路的的区域控制器部署方案，得到含有冗余控制器的部署方案。再逐步减少控制器数量，使控制器个数达到最小，最终得到基于多路径生存性保护的控制器部署方案。

在减少控制器数量过程中，为时刻保证控制平面生存性要求。本发明利用后验的思想，即根据部署结果，按照公式

计算出当前控制平面故障概率，保证其小于用户给定网络故障告警概率。在满足生存性需求的前提下，减少控制器数量，得到最优的控制器部署方案。

步骤4中，在求出单控制链路控制器的部署方案后，控制器的删除顺序会影响最后的控制器个数以及控制链路。在把降低控制器部署成本作为首要目标时，最期望的部署方案是交换机被极少数的控制器集中管控。尽可能增加控制控制链路的条数，减少控制器的数量。为达到以上结果，本发明中将控制器管控的交换机数量M作为评判标准。M越小的控制器，删除后对控制平面的影响最小，即最有可能删除。因此，控制器的删除顺序按照M从小到大递增排列。

步骤6中，孤立交换机尝试连接新的控制器时，交换机连接控制器顺序的不同，也影响着最后的部署方案。为尽可能减少控制器的数量，降低部署成本，交换机应该倾向于连接M值更大的控制器。假设交换机S需要连接三个控制器，以满足生存性要求。交换机S首先连接M值最大的目前可用的控制器。再接上第一个控制器后，第二个控制器与交换机S的控制链路不能与第一条控制链路具有重边，并且M值尽可能大。第三个控制器按照以上方法重复执行。

步骤5中寻找无重边控制链路时，本发明对弗洛伊德算法进行修改，找到一条可达链路之后，将走过的路径权值设为无穷，保证之后的控制路径与之前的路径无重复链路，求出单点无重边的多源最短路径。

步骤7中成功删除冗余控制器C之后，控制器C变为交换机，划分到其他孤立交换机集合中。为保证生存性，交换机必定会连接上新的控制器，网络拓扑必定发生变化。判定某个控制器被成功删除之后，需要记录已被删除的控制器，以保证之后的孤立交换机连接上正常工作的交换机。同时，需要更新控制器的M值，使交换机尽可能被少数的控制器管控。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例本发明应用的部署模型；

图2是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：

如图1所示为本发明所应用的基于多路径生存性保护的控制器部署模型图，不同类型的线条表示不同控制器的控制链路。图1中SDN交换机被一个或多个控制器联合管控，只要SDN交换机不与连接的所有控制器失去联系，控制平面的生存性即可得到保障，管控中心的部署位置由各控制器之间的通讯时延最低控制器位置确定。该部署方案中，用户可接受最大故障概率为0.1，光纤百公里故障概率为0.03。

如图2所述，一种基于多路径生存性保护的软件定义光网络控制器部署方法，于二层SDN模型的控制器部署，其包括以下步骤：

步骤1：根据用户指定概率P，求出单控制器下的最长控制链路长度W，以保证网络拓扑的生存性。

步骤2：利用弗洛伊德算法求出各交换机V之间的最短路径L_ij，将L_ij作为V_i、V_j之间连线的权值，SDON网络拓扑转换为完全二分图。删除任一L_ij>W的链路，保证所有可达路径长度均小于W，形成新的二分图G。

步骤3：重新把G转换为网络拓扑，把其中具有可达路径的交换机划分为同一区域，构成集合

并求出

中的最优极小支配集的集合{θ_i1,θ_i2,…,θ_in}，最优极小支配集的部署位置就是单一控制器时的部署方案，至此，我们得到了含有冗余控制器的部署方案，用集合{C₁,C₂,…,C_n}表示。

步骤4：将集合{C₁,C₂,…,C_n}中的控制器重新排序，得到新的集合{C′₁,C′₂,…,C′_n}，并尝试删除控制器C′₁。

步骤5：当C′₁不再作为控制器后，孤立的交换机用集合{S₁,S₂,…,S_n}表示。利用修正的弗洛伊德算法，为S_i寻找目前可用的控制器。

步骤6：利用多控制器下的网络故障概率计算公式，判断S_i链接新的控制器后能否满足网络生存性。若集合{S₁,S₂,…,S_n}中所有交换机都找到符合条件的控制器及控制链路，则控制器C′₁可以被删除，将新连接的控制器添加到集合{V_pc1,V_pc2,…,V_pcn}中；反之，C′₁不能删除，将C′₁添加到集合{V_pc1,V_pc2,…,V_pcn}中。

步骤7：讨论C′₁后，重复执行步骤4、5、6，直到集合{C′₁,C′₂,…,C′_n}中所有控制器讨论完毕。集合{V_pc1,V_pc2,…,V_pcn}即为多路径生存性保护的SDON控制器部署方案。

步骤8：根据控制器之间的协调信令传输时延确定管控中心V_cc的部署位置。

根据式子

求出控制链路最大长度L，其中P为用户可接受最大故障概率，ρ为光纤百公里故障概率。接着将SDN交换机节点抽象成完全二分图，各节点间的最短路长度径作为二分图权值，删除二分图中权值大于L的链路。将二分图中可达节点划为同一区域，重新转化为网络拓扑。

寻找各分区最优极小支配集，各极小支配集的集合即为含冗余控制器的部署方案。将控制器集合按照控制器管理交换机个数从小到大重新排序，对集合中每一个控制器判断能否删除。在满足生存性条件下，减少控制器部署成本。

判断每一个控制器能否删除的流程相同。集合S储存删除控制器后孤立的交换机，包括该控制器之前管理的交换机以及该控制器本身。为保证该网络拓扑满足生存性要求，即集合S重中每一个交换机都需要找到一个或多个控制器，并且故障概率低于P。

根据公式

计算孤立交换机的故障概率P′。若每个孤立交换机的P′小于P，表明删除控制器后，仍可以保障该控制平面生存性要求。其中L_i表示该交换机的第i条控制链路长度，并且同一个交换机所连接的控制链路不能具有重边。

为尽可能减少控制器部署数量，交换机应该倾向于连接M值更大的控制器。利用修正的弗洛伊德算法，孤立交换机不断寻找与M值更大交换机的最短链路。若寻找到新链路时，该交换机的P′小于P，表明满足生存性要求；若找到最后一条链路，P′仍然大于P，表明该交换机不能满足生存性要求，即该控制器不能删除。

删除冗余控制器之后得到的控制器部署方案就是基于多路径生存性保护的控制器部署方案。管控中心对控制器起到协同管理的作用，若管控中心的部署位置不当，SDON网络中部分节点获得控制信令的时间就会过长，网络性能会急剧下降。因此，我们把控制器之间的协调信令传输时延作为首要目标，选取到其他区域控制器部署节点平均交互时延最小的节点作为集中节点。根据公式

选择通讯时延最低的控制器作为管控中心部署位置。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

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 (5)

1.一种基于多路径生存性保护的软件定义光网络控制器部署方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据用户指定概率P，求出单控制器下的最长控制链路长度W，以保证网络拓扑的生存性；

步骤2：利用弗洛伊德算法求出各交换机V之间的最短路径L_ij，将L_ij作为V_i、V_j之间连线的权值，SDON网络拓扑转换为完全二分图；删除任一L_ii＞W的链路，保证所有可达路径长度均小于W，形成新的二分图G；

步骤3：重新把G转换为网络拓扑，把其中具有可达路径的交换机划分为同一区域，通常拓扑被划分为n个区域，第i个区域内的交换机用

表示，并把不同的区域构成集合

接着求出

中的最优极小支配集的集合{θ_i1，θ_i2，…，θ_in}，其中n表示极小支配集中交换机个数最优极小支配集的部署位置就是单一控制器时的部署方案，得到含有冗余控制器的部署方案，用集合{C₁，C₂，…，C_n}表示；

步骤4：将集合{C₁，C₂，…，C_n}中的控制器按照自身管控的交换机数量从小到大重新排序，得到新的集合{C′₁，C′₂，…，C′_n}，并尝试删除控制器C′₁；

步骤5：当C′₁不再作为控制器后，孤立的交换机用集合{S₁，S₂，…，S_n}表示。利用弗洛伊德算法，为S_i寻找新的k(k≥2)条控制链路；此处，弗洛伊德算法用于寻找S_i到其他节点的最短路径，选择合适的控制链路及控制链路条数，使网络故障概率满足生存性要求；

步骤6：利用多控制器下的网络故障概率计算公式，判断S_i链接新的控制器后能否满足网络生存性，若集合{S₁，S₂，…，S_n}中所有交换机都找到符合条件的控制器及控制链路，则控制器C′₁可以被删除，将新连接的控制器添加到集合{V_pc1，V_pc2，…，V_pcn}中；反之，C′₁不能删除，将C′₁添加到集合{V_pc1，V_pc2，…，V_pcn}中；

步骤7：操作完C′₁后，重复执行步骤4、5、6，直到集合{C′₁，C′₂，…，C′_n}中所有控制器操作完毕，集合{V_pc1，V_pc2，…，V_pcn}即为多路径生存性保护的SDON控制器部署方案；

步骤8：根据控制器之间的协调信令传输时延确定管控中心V_cc的部署位置；

最长控制链路长度的计算公式为：

求出控制链路最大长度L，其中P为用户可接受最大故障概率，ρ为光纤百公里故障概率，接着将SDN交换机节点抽象成完全二分图，各节点间的最短路长度径作为二分图权值，删除二分图中权值大于L的链路，将二分图中可达节点划为同一区域，重新转化为网络拓扑；

所述步骤5中，交换机与控制器之间不考虑冗余保护路径，即只有一条控制路径；修正后的弗洛伊德算法用于为S_i寻找N个控制器，并且N个控制器与S_i之间的控制链路无重边；

所述步骤6中计算多控制下交换机的控制平面网络故障概率，按照公式(1)，其中P′表示孤立交换机节点S_i连接上新的控制器后发生故障的概率，集合{L₁，L₂，…，L_n}表示S_i与N个控制器之间无重边控制链路的长度，L_i表示第i条控制链路长度；根据公式，只要P′＜P，即可认为S_i连接上新的控制器之后，满足用户要求的生存性；

所述步骤8中，考虑到控制器之间的协调信令传输时延，V_cc节点的部署位置为到控制器部署节点平均交互时延最小的节点T_min＝min{T₁，T₂，…，T₃}，其中T(V_i，V_j)表示节点V_i与V_j之间的交互时延，T_i表示V_i与其他节点间的平均交互时延；

2.根据权利要求1所述的一种基于多路径生存性保护的软件定义光网络控制器部署方法，其特征在于，所述步骤2中利用弗洛伊德最短路径算法求出各交换机V之间的最短路径L_ij，具体包括：用矩阵M[i，j]表示V_i到V_j的最短距离，k是穷举i到j之间可能经过的中间点，当中间点为k时，对整个矩阵即从i到j的路径长度进行更新，对所有可能经过的中间点进行遍历以得到全局最优的最短路径。

3.根据权利要求1所述的一种基于多路径生存性保护的软件定义光网络控制器部署方法，其特征在于，所述步骤3中最优极小支配集的确定条件具体为：选择节点数最小的极小支配集为其所在区域的最优极小支配集，以减少控制器的部署成本；若有多个符合条件的极小支配集，选择集合内节点的出度数之和最大的极小支配集，以此提高在部署成本最小化时控制平面的控制冗余。

4.根据权利要求1所述的一种基于多路径生存性保护的软件定义光网络控制器部署方法，其特征在于，所述步骤4参考贪心算法，选择当前最优的集合{C₁，C₂，…，C_n}排序方式；将控制器管控的交换机数量作为评判标准；其中，管控数量越少的控制器，删除后对控制平面的影响越小，越易于删除，于是排在前面；因此，按照控制器管控交换机数量由小到大将集合重新排序得到集合{C′₁，C′₂，…，C′_n}。

5.根据权利要求1所述的一种基于多路径生存性保护的软件定义光网络控制器部署方法，其特征在于，所述步骤5中，交换机与控制器之间不考虑冗余保护路径，即只有一条控制路径；修正后的弗洛伊德算法用于为S_i寻找N个控制器，并且N个控制器与S_i之间的控制链路无重边。

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