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多控制器条件下区分QoS的虚拟SDN映射方法

更新时间：2019-12-24 11:21:34 大小：2M 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：虚拟SDN映射 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

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在多控制器SDN虚拟化环境中,以最小化控制通路平均时延、控制器负载失衡度和映射开销为目标,分别建立多控制器部署问题和虚拟SDN映射问题的数学模型,提出一种多控制器条件下区分QoS的虚拟SDN映射方法.仿真结果表明该方法能够满足不同用户对虚拟SDN服务质量的需求,保持多控制器的负载均衡,提高了映射成功率和收益开销比.

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、，01．38 No．8

第38卷第8期

2017年8月

通信学报

Journal on Communications

2017

August

doi：lO．11959d。issn．1000-436x．2017168

多控制器条件下区分QoS的虚拟SDN映射方法

赵志远，孟相如，苏玉泽，李振涛

(空军工程大学信息与导航学院，陕西西安710077)

摘要：在多控制器SDN虚拟化环境中，以最小化控制通路平均时延、控制器负载失衡度和映射开销为目标，

分别建立多控制器部署问题和虚拟SDN映射问题的数学模型，提出一种多控制器条件下区分QoS的虚拟SDN映

射方法。仿真结果表明该方法能够满足不同用户对虚拟SDN服务质量的需求，保持多控制器的负载均衡，提高

了映射成功率和收益开销比。

关键词：虚拟SDN映射；多控制器部署；服务质量；控制器自适应调整

中图分类号：TP393

文献标识码：A

Virtual SDN_embeddingwith differentiated

controller

under

QoS

multiple

Zhen-tao

ZHAO_{Zhi—yuan，MENG}

ofInformationand

Yu-ze，LI

Xiang-ru，SU

Force

Navigation,Air

EngineeringUniversity,Xi’all 710077，China)

(College

the

ofminimum the mean

be—

delay

Abstract：In SDN virtualization environment under

multiple controllers，with

the cost of

goal

the

control

load imbalance of

models of

controller

tween

controllers，and

embedding，mathematical

paths，the

virtual

SDN

embedding

method withdifferentiated

and the virtual SDN_embedding

controllers was

were

problem

built,and

placement

simulation results show that the

Can

various

QoS^undermultiple

virtual networks

proposed．The

proposedalgorithm

satisfy

for

load

users，keep

betweencontrollers and increase the

balance acceptance

ratio and the reve-

QoS

ratio．

nue／cost

controllers

SDN_{embedding，multiple}

Key^{words：virtual}

placement,QoS，controller adaptiveadjustment

在SDN虚拟化环境中，控制器通常部署在与

1引言

底层交换机相同的位置，交换机与控制器之间的

时延将影响到控制逻辑能否有效部署到转发设备

中，因此，vSDN映射不仅包括传统的虚拟网络

映射过程，还应进行控制器的优化部署以缩短交

换机到控制器的时延，实现网络的快速响应【8，9J。

在单控制器SDN架构中，单个控制器管理全部

vSDN的映射和运行，控制器部署仅需考虑时延

网络虚拟化技术被视为下一代互联网的关键

技术[1，2]，它通过资源抽象、隔离等机制，支持多个

虚拟网络并行且互不干扰的运行在共享的底层物

defined

理网络上。基于透明代理的SDN(software

network)虚拟化平台[3-51是当前SDN虚拟化的主要

实现方式，SDN虚拟化平台的主要工作是负责将

虚拟SDN(vSDN，virtual SDN)标识、隔离和映

射【6，71，本文研究映射问题，其任务是在vSDN请

求到达后，在满足资源、拓扑结构等约束的前提

下，将vSDN的节点和链路映射到物理SDN的节

点和路径上。

问题【l

o|。然而单控制器存在可靠性和可扩展性问

题，因此从OpenFlow协议1．2版本开始引入了多

控制器概念，支持由多个控制器以物理分散逻辑

集中的方式协同管理整个SDN，同时也产生了多

控制器部署问题【11~13】。多控制器优化部署一方面

收稿日期：2016．12．23；修回日期；2017-04．12

基金项目：国家自然科学基金资助项目(No．61401499)

FoundationItem：The National Natural Science Foundation

ofChina(No．61401499)

2017168-l

万方数据

通信学报

第38卷

要考虑时延，另一方面，在vSDN映射过程中，

受位置和资源约束等影响，不同vSDN请求的虚

拟节点映射位置存在很大的随机性，使交换机负

载出现较大差异，进而导致各控制器的管理负

载出现较大差异，因此需要考虑控制器负载的

动态调整，避免控制器过载对网络运行造成不

利的影响。

31，Heeler

在控制器部署和动态调整方面【10~1

等【l2】通过定义控制器与交换机之间平均、最大传

播时延指标，解决了在给定网络拓扑的情况下，

需要多少控制器以及怎样部署控制器的问题。现

有虚拟网络映射算法【14叫6】主要针对传统网络虚

拟化环境，在SDN虚拟网络映射方面‘8,9,17,18】，

Mehmet等博J在映射过程中同时考虑虚拟节点链

路映射和控制器部署，提出了vSDN映射方法。

——物理链路· +卜数据流· 。◆控制流廿控制通路

图1基于OpcnFlow的多控制器SDN架构

以FlowViSOl"为例说明基于透明代理的SDN虚

拟化平台及vSDN映射问题，如图2所示。转发层

和控制层之间所有控制和状态消息通过中间的透

明代理转发；多个vSDN共存于同一物理SDN网

络上，享有独立的拓扑、带宽、交换机CPU和流

表空间，并由单独的控制器管理和配置流表。图2

中vSDNl映射到底层交换机A、B、C和物理链路

AB、BC(左侧黑色曲线)上，控制通路(左侧黑

色虚线)为预先分配的物理路径。

Wang等[181针对虚拟SDN环境中的单链路失效

问题，提出了一种基于最佳备份拓扑的生存

8】同时考虑节点和

vSDN映射算法。Mijumbi等【l

链路的负载均衡，提出了一种基于实时网络状态

的流迁移方法，以动态管理SDN虚拟化环境中

的节点和链路资源。从当前研究进展来看，没有

文献研究多控制器条件下vSDN映射问题。本文

以最小化控制通路平均时延、控制器负载失衡度

和映射开销为目标，建立多控制器部署与调整问

题和虚拟SDN映射问题的数学模型，同时考虑

不同用户对服务质量的需求，提出一种多控制器

囤囤

条件下区分QoS的虚拟SDN映射方法。该方法

由基于免疫优化算法的多控制器优化部署方法、

区分QoS的vSDN映射方法和阈值触发的控制器

自适应调整算法3个部分组成，能够协调控制器

部署、vSDN映射和控制器负载调整的关系，满

足不同用户对vSDN服务质量的需求，提高映射

成功率和收益开销比。

图2 2个vSDN切片共享物理SDN

2．2网络模型

11物理网络

2问题描述与网络模型

多控制器物理SDN表示为带权无向图G=

(Ⅳs，Ⅳc，丘，厶)，其中，Ⅳs、No、t、Lo分别表示

交换机节点、控制器节点、物理链路和控制通路集

合。对甩。 M，属性包括节点CPU可用资源

2．1问题描述

基于OpenFlow的多控制器SDN架构如图1所

示，其主要包括转发层、控制层和应用层。交换机

维护自身流表结构，根据流表处理和转发数据分

组，控制器通过南向接口(OpenFlow协议)管理

和配置交换机的流表，负责转发层资源编排、网络

拓扑维护、网络实时状态更新等，通过北向接口支

持网络应用。

addressable

content

memory)

cpu(n,)、TCAM(temary

可用资源tcam(n。)和节点位置loc(n,)，其中，TCAM

用于流表的存储和处理，loc(n。)=(气，以)为二维坐

标；对玩 N，属性包括控制域

CA(no)

和控制器管

理负载Atcam(n。)，控制域由n。管理的交换机节点

2017168．2

万方数据

第8期

赵志远等：多控制器条件下区分QoS的虚拟SDN映射方法

所需的QoS服务，提高收益，减小开销。优化目标

包括以下几个方面。

构成，Atcam(n。)= 乏：contcam(ns)，其中，

nsE—CA(％)

contcam(n,)为交换机节点占用TCAM；对于疋厶，

属性为链路可用带宽6w(t)和传输时延at(t。)；对于

t L，属性为控制通路时延

1)控制通路平均时延

交换机与控制器间的控制通路时延影响控制器

at(to) 。 c

对SDN中事件的响应速度，控制器间的控制通路时

延影响控制器信息同步。定义控制通路平均时延为

2)区分QoS的vSDN请求

请求表示为带权无向图Gv洲=(Ⅳv，L，QOSv，瓦)，

其中，Ⅳ1，、厶，分别表示虚拟节点和链路集合，对于

乙。南丕at(to，2南l丕al(10汁冱at(t。，j

n、， Ⅳ、，，属性包括节点CPU资源需求cpu(n。)、

TCAM资源需求tcam(nv)、节点位置loc(n。)=(Xv，Y。)

和映射位置约束D(n、，)．对于lv Lv，属性包括链路

带宽需求bw(1v)；QoS。为服务质量需求，本文设定

∞S的vSDN请求需满足控制通路时延约束dl(1)o

(2)

其中，Itl为控制通路数量，厶。、k分别表示交

换机到控制器、控制器问的控制通路集合，且

Lc=Lc。Uk，丘。、乞分别表示两类控制通路。

2)请求接受率

和虚拟链路时延约束dl(1v)，QOS的vSDN请求无时

延约束；Z．为vSDN生存时间。

请求接受率定义为一定时间内成功映射的

vSDN请求数量vSDNIk(t)与全部到达的vSDN请

求数量vSDNR(t)之比，如式(3)所示。

3)区分QoS的vSDN映射问题建模

区分QoS的vSDN映射定义为满足vSDN资源

需求、位置约束、拓扑结构和QoS约束的从Gv。DN到

G子集的映射关系，如式(1)所示。

vSDNRmap(t)

(3)

，．=。lim型T———一

～伽帜(f)

M：GvsDN一、1A／sub，F6，氐，RL)

(1)

其中，板曲 Ⅳs，掣6 厶，氐和墨是分配给vSDN

的节点资源和链路资源。

3)收益开销比

定义t时刻vSDN请求GvSDN的收益为

4)多控制器条件下区分QoS的vSDN映射问

题

R(‰ ，f)=纠酬凡)+q tcam(nv)+]z 眦)J

～ M

上v

＼～

虬

／

多控制器条件下区分QoS的vSDN映射问题可

分解为多控制器部署(CP,controllerplacement)、区

分QoS的vSDN映射与控制器自适应调整3个子问

题。本文定义多控制器部署问题为给定物理网络信

息和控制器数量，控制器应该安放在什么位置，管

(4)

其中，y为不同QoS请求的收益权重，本文设定对

于QD是，y=1．2，对于QoS,，y=1；喁、属是流

表和链路带宽相对CPU资源的收益权重，设定

％=1，屈=1。

理哪些交换机，以达到最优配置。区分QoS的vSDN

映射问题如上所述。控制器部署后位置不再变化，

在vSDN映射过程中，各交换机节点的占用流表发

生变化，各控制器计算和管理流表的负载也相应变

化。控制器自适应调整问题是，如何动态调整各控

制器与交换机的管理关系，使控制器不发生过载。

定义f时刻vSDN请求G幅DN的开销为

cost(G、，sDN，f)= cpu(n。)+

nveN。

，，

、

呸l tcam(n，)+ tcam(ns)f+

n,e气

＼，~5Ⅳv

／

(5)

3多控制器条件下区分QoS的vSDN映射

屈 hops(tv)bW(1v)

数学模型

3．1映射目标

其中，气为GvsDN全部物理路径’磊泐m(％)为

路径经过节点消耗流表的数量，hops(Iv)是lv映射

路径的跳数，呸、厦是流表与物理链路开销相对

CPU的开销权重，设定呸=1，屈=1。

多控制器条件下区分QoS的vSDN映射问题的

目标是在vSDN请求到达和生存期持续过程中，充

分利用物理网络资源，接受更多vSDN请求并确保

2017168．3

万方数据

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