CN113992590B - 基于软件定义网络的链路负载均衡方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于软件定义网络的链路负载均衡方法，包括以下方法：S1、通过Ryu控制器下发LLDP报文来获取网络链路信息，利用获取到的网络链路信息，生成网络拓扑图；S2、网络感知应用使用Networkx的有向图数据结构存储拓扑信息，并使用Networkx提供的shortest_simple_paths函数在拓扑信息的基础上计算出最短路径。本发明有益效果：基于软件定义网络的链路负载均衡方法基于SDN对网络架构的全局查看能力，控制器对传输过程中的节点进行实时更新并计算，选出最优路径并进行数据传输。通过Mininet工具进行模拟，利用Networkx实现最短路径转发，结果表明SDN‑HLLB可提高数据传输速率，实现网络链路负载均衡，满足用户在复杂环境中对传输速率要求。

Description

基于软件定义网络的链路负载均衡方法
技术领域
本发明属于互联网领域，尤其是涉及一种基于软件定义网络的链路负载均衡方法。
背景技术
随着互联网规模的迅速扩大，愈来愈多的数据都集中在数据中心进行处理，当数据相对集中进行传输时，会使网络流量瞬间巨幅增加，造成链路拥堵甚至网络瘫痪。这样会使数据中心服务性能下降，影响业务的日常运行。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种基于软件定义网络的链路负载均衡方法，针对传统路径路由方法在复杂网络中出现的负载不均衡，传输速率慢等问题，提出一种基于软件定义网络的跳数负载均衡测试，在大业务量请求情况下，对负载均衡路径进行选择并分析建模。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
基于软件定义网络的链路负载均衡方法，包括以下方法：
S1、通过Ryu控制器下发LLDP报文来获取网络链路信息，利用获取到的网络链路信息，生成网络拓扑图；
S2、网络感知应用使用Networkx的有向图数据结构存储拓扑信息，并使用Networkx提供的shortest_simple_paths函数在拓扑信息的基础上计算出最短路径。
进一步的，Ryu控制器构造PacketOut消息会周期性地向邻居设备发送LLDP报文，如果设备的本地配置发生变化则立即发送LLDP报文，以将本地信息的变化情况尽快通知给邻居设备；
当LLDP报文被送回到控制器时，触发EventOFPPacketIn事件，对应的处理函数会解析LLDP报文，得到设备之间的连接信息；
随后将得到的链路的信息作为边写入图中，接着获取链路拓扑并构建有向图，然后根据源和目的得到下一跳的输出端口创建拓扑图的对象，利用networkx存储网络拓扑，在存储拓扑信息后，在packet_in_handler中处理源到目的的转发指令，下发流表等操作。
进一步的，为了防止本地信息的频繁变化而引起LLDP报文的大量发送，每发送一个LLDP报文后都需延迟一段时间后再继续发送下一个报文。
进一步的，通过对源到目的的最短路径计算出每一跳的转发端口，根据端口下发转发指令。
基于软件定义网络的链路负载均衡的实验仿真方法，选用Ryu作为全局控制器，使用OpenVSwitch作为SDN交换机，选用Mininet作为SDN架构测试平台；
使用Mininet可视化工具创建tree拓扑，设置depth＝3，fanout＝3，拓扑中包含1个Ryu控制器，12个OpenvSwitch交换机和27个host；
使用python编写脚本，选出最短路径，实现链路负载均衡；
打开终端，输入命令ryu-manager tiaoshu.py--observe-links，运行负载均衡脚本，登录Ryu控制器，输入命令./topo.py,启动拓扑；
运行脚本，对所有主机之间进行最短路径求解，并进行互ping，验证最短路径求解的准确性。
第二方面本方案公开了一种电子设备，包括处理器以及与处理器通信连接，且用于存储所述处理器可执行指令的存储器，所述处理器用于执行基于软件定义网络的链路负载均衡方法。
第三方面本方案公开了一种服务器，包括至少一个处理器，以及与所述处理器通信连接的存储器，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述至少一个处理器执行基于软件定义网络的链路负载均衡方法。
第四方面本方案公开了一种计算机可读取存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现基于软件定义网络的链路负载均衡方法。
相对于现有技术，本发明所述的基于软件定义网络的链路负载均衡方法具有以下有益效果：
本发明所述的基于软件定义网络的链路负载均衡方法基于SDN对网络架构的全局查看能力，控制器对传输过程中的节点进行实时更新并计算，选出最优路径并进行数据传输。通过Mininet工具进行模拟，利用Networkx实现最短路径转发，结果表明SDN-HLLB可提高数据传输速率，实现网络链路负载均衡，满足用户在复杂环境中对传输速率要求。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的SDN网络体系结构示意图；
图2为本发明实施例所述的基于跳数的负载均衡策略的实现流程图示意图；
图3为本发明实施例所述的基于跳数的负载均衡策略示意图；
图4为本发明实施例所述的基于跳数的负载均衡策略测试拓扑示意图；
图5为本发明实施例所述的基于软件定义网络的链路负载均衡方法运行步骤示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
随着互联网规模的迅速扩大，愈来愈多的数据都集中在数据中心进行处理，当数据相对集中进行传输时，会使网络流量瞬间巨幅增加，造成链路拥堵甚至网络瘫痪。这样会使数据中心服务性能下降，影响业务的日常运行。
近年来，在SDN环境下对链路负载均衡的研究有很多。比如，文献提出K-Dijkstra算法，利用控制器对网络状况进行全局评估，再结合K-Dijkstra算法求解出最短路径；文献改进动态均衡算法，考虑到调度对流丢包率的影响，兼顾流QoS的需求，优先选择丢包率影响较小的流，达到负载均衡效果；文献将多地址流表定向对请求进行分区映射，并且设置活动连接数为负载评估参数，通过蚁群算法求解最佳负载重定向方案；文献提出自适应数据包传输，为每个流提供网络结构的对称视图，那么数据包扩散可以产生接近最优的性能。文献利用改进的蚁群算法，把网络传输路径上流量负载模拟为
蚁群算法中选择路径的关键因子，目的是使数据流均匀快速通过选择路径，减少堵塞。
本文针对传统路径路由方法在复杂网络中出现的负载不均衡，传输速率慢等问题，提出一种基于软件定义网络(Software Defined Network，SDN)的跳数负载均衡测试(SDN Hop Link Load Balancing，SDN-HLLB)，在大业务量请求情况下，对负载均衡路径进行选择并分析建模。
1 SDN介绍
1.1 SDN定义
ONF对SDN定义是，SDN是支持动态、弹性管理的新一代网络体系结构，是一种实现高带宽、动态网络的理想网络架构。SDN将网络控制平面和数据平面解耦，抽象了数据平面网络资源，并支持通过统一的接口直接对网络进行编程控制。
1.2 SDN特征
(1)网络开放可编程：SDN建立了新的网络模型，为用户提供了一套完整的通用API，使用户可以在控制器上直接编程从而实现对网络的配置、控制和管理。
(2)数据平面与控制平面解耦：此处的解耦是指控制平面与数据平面的分离，数据平面与控制平面之间不再互相依赖，皆可以独自完成体系结构的演变。
(3)逻辑上的集中控制：主要是指对分布式网络状态的集中统一管理，逻辑集中控制为软件编程定义网络功能提供了架构基础，也为网络自动化管理提供了可能。
这三个特征中，数控分离为逻辑集中控制创造了先决条件，逻辑集中控制为开放可编程控制提供了基础架构，然而网络开放编程才是SDN的核心特征[7]。
1.3 SDN基本架构
SDN网络体系结构主要包括SDN数据平面、控制平面、应用平面、北向接口和南向接口共五部分，如图1所示。
数据平面包括基于软件和硬件实现的数据平面设备。数据平面设备通过南向接口接收来自控制器的命令，并按照命令完成网络数据处理。并且，数据平面设备也可利用南向接口给控制器反馈网络配置和网络运行时的状态信息。
控制平面是SDN的核心，也被称作网络操作系统。控制器不仅要通过北向接口给上层应用提供不同层次的可编程能力，还要通过南向接口对SDN数据平面进行统一配置、管理和控制，目前常用控制器有ryu、floodlight和pox，本文使用的控制器是Ryu。
应用平面实现对应的网络功能应用，这些应用程序通过调用SDN控制器的北向接口，实现对网络数据平面设备的配置、管理和控制。
北向接口是SDN控制平面与应用平面之间的开放接口，它为SDN应用提供通用的开放编程接口。
南向接口是SDN控制平面与数据平面之间的开放接口，目前南翔编程接口的表现形式以协议为主。SDN控制器通过南向接口对数据平面进行编程控制，实现数据平面设备编程控制和指导网络流量转发等网络行为，本文使用的南向协议是openflow。
2基于跳数的负载均衡策略的实现
2.1负载均衡策略设计
首先通过Ryu控制器下发LLDP报文来获取网络链路信息，利用获取到的网络链路信息，生成网络拓扑图。接着网络感知应用使用Networkx的有向图数据结构存储拓扑信息，并使用Networkx提供的shortest_simple_paths函数在拓扑信息的基础上计算出最短路径。则基于跳数的负载均衡策略的实现流程图如图2所示。
2.2基于跳数的负载均衡策略的实现
Ryu控制器构造PacketOut消息会周期性地向邻居设备发送LLDP报文，如果设备的本地配置发生变化则立即发送LLDP报文，以将本地信息的变化情况尽快通知给邻居设备。为了防止本地信息的频繁变化而引起LLDP报文的大量发送，每发送一个LLDP报文后都需延迟一段时间后再继续发送下一个报文。当LLDP报文被送回到控制器时，触发EventOFPPacketIn事件，对应的处理函数会解析LLDP报文，得到设备之间的连接信息(Link类)。
随后将得到的链路的信息作为边写入图中，接着获取链路拓扑并构建有向图，然后根据源和目的得到下一跳的输出端口创建拓扑图的对象，利用networkx存储网络拓扑，在存储拓扑信息后，在packet_in_handler中处理源到目的的转发指令，下发流表等操作；(通过对源到目的的最短路径计算出每一跳的转发端口，根据端口下发转发指令)。
开始时，各个主机可能在图中不存在，因为开始Ryu只获取了交换机的dpid，并不知道各主机的信息，所以需要将主机存入图中，当下一跳主机端口无法获取时，进行Flooding，而后将获取的流表添加至交换机中。基于跳数的负载均衡策略方案如图3所示。
3实验仿真
3.1实验环境搭建
本文选用Ryu作为全局控制器，使用OpenVSwitch作为SDN交换机，选用Mininet作为SDN架构测试平台，由于Mininet是一个虚拟化仿真平台，所以本文选择将其安装在VMware虚拟机上，虚拟机系统采用Ubuntu16.04。
3.2实验过程
使用Mininet可视化工具(miniedit)创建tree拓扑，设置depth＝3，fanout＝3，拓扑中包含1个Ryu控制器，12个OpenvSwitch交换机和27个host，如图4所示。
本文利用SDN网络开放可编程以及控制器逻辑上的集中控制特点，研究链路的负载均衡。使用python编写脚本，选出最短路径，实现链路负载均衡。
打开终端，输入命令ryu-manager tiaoshu.py--observe-links，运行负载均衡脚本，登录Ryu控制器，输入命令./topo.py,启动拓扑，部分运行步骤如图5所示。
3.3实验仿真
运行脚本，对所有主机之间进行最短路径求解，并进行互ping，验证最短路径求解的准确性，部分运行结果如表1-表3所示。
表1 h1到其他端口最短路径
表2端口互ping
根据以上实验可知，该负载均衡策略保证了SDN链路最短路径的选取，没有出现明显的错误最短路径，并在互ping后验证出策略所求最短路径的准确定性。因此，本文提出的基于软件定义网络的跳数负载均衡策略(SDN-HLLB)，可以找到host间数据传输最短路径，提高了传输效率。
5总结
本文利用SDN数据面和控制面分离理念和逻辑集中控制的思想，提出一种基于软件定义网络的跳数负载均衡策略(SDN-HLLB)，仿真实验使用Mininet可视化工具，创建tree拓扑，包括1个Ryu控制器，12个OpenvSwitch交换机和27个host。该策略对传输过程中的节点进行实时更新并计算，选出最优路径进行数据传输。由仿真结果可知，该策略可以准确找出host间最短路径，有效提高复杂网络下链路数据传输效率。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和系统，可以通过其它的方式实现。例如，以上所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。上述单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于软件定义网络的链路负载均衡的实验仿真方法，其特征在于，链路负载均衡为：
S1、通过Ryu控制器下发LLDP报文来获取网络链路信息，利用获取到的网络链路信息，生成网络拓扑图；
S2、网络感知应用使用Networkx的有向图数据结构存储拓扑信息，并使用Networkx提供的shortest_simple_paths函数在拓扑信息的基础上计算出最短路径；
Ryu控制器构造PacketOut消息会周期性地向邻居设备发送LLDP报文，如果设备的本地配置发生变化则立即发送LLDP报文，以将本地信息的变化情况尽快通知给邻居设备；
当LLDP报文被送回到控制器时，触发EventOFPPacketIn事件，对应的处理函数会解析LLDP报文，得到设备之间的连接信息；
随后将得到的链路的信息作为边写入图中，接着获取链路拓扑并构建有向图，然后根据源和目的得到下一跳的输出端口创建拓扑图的对象，利用networkx存储网络拓扑，在存储拓扑信息后，在packet_in_handler中处理源到目的的转发指令，下发流表；
为了防止本地信息的频繁变化而引起LLDP报文的大量发送，每发送一个LLDP报文后都需延迟一段时间后再继续发送下一个报文；
通过对源到目的的最短路径计算出每一跳的转发端口，根据端口下发转发指令；
选用Ryu作为全局控制器，使用OpenVSwitch作为SDN交换机，选用Mininet作为SDN架构测试平台；
使用Mininet可视化工具创建tree拓扑，设置depth=3，fanout=3，拓扑中包含1个Ryu控制器，12个OpenvSwitch交换机和27个host；
使用python编写脚本，选出最短路径，实现链路负载均衡；
打开终端，输入命令ryu-manager tiaoshu.py --observe-links，运行负载均衡脚本，登录Ryu控制器，输入命令./topo.py,启动拓扑；
运行脚本，对所有主机之间进行最短路径求解，并进行互ping，验证最短路径求解的准确性。
2.一种电子设备，包括处理器以及与处理器通信连接，且用于存储所述处理器可执行指令的存储器，其特征在于：所述处理器用于执行上述权利要求1所述的基于软件定义网络的链路负载均衡的实验仿真方法。
3.一种服务器，其特征在于：包括至少一个处理器，以及与所述处理器通信连接的存储器，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述至少一个处理器执行如权利要求1所述的基于软件定义网络的链路负载均衡的实验仿真方法。
4.一种计算机可读取存储介质，存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1所述的基于软件定义网络的链路负载均衡的实验仿真方法。
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