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层次型多中心的SDN控制器部署
资料介绍
软件定义网络(SDN)通过转发与控制分离,借助控制面的集中化实现网络的灵活性和开放性.控制器部署是SDN部署运行的基础和前提.针对层次型多中心SDN的控制器部署问题,该文采用多层k路划分方法实现大规模SDN网络的区域划分,将传统的SDN多控制器直接部署转化为区域划分和域内控制器部署,同时通过减少图划分的域间割边数以降低SDN跨域流数量以提高流表构建效率.通过实验验证,较其他传统方法,该文提出的层次型多中心控制器部署方法可有效减少网络通信代价,降低流表构建代价.
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Vol. 45 No. 3
Mar. 2017
第
2017
期
电
子
ACTA ELECTRONICA SINICA
学
报
3
年
月
SDN
层次型多中心的
1
控制器部署
2
1
，
，
张 栋 郭俊杰 吴春明
( 1.
，
350108; 2.
，
310027)
福州大学数学与计算机科学学院 福建福州
浙江大学计算机科学与技术学院 浙江杭州
:
( SDN)
，
.
摘
要
软件定义网络
部署运行的基础和前提 针对层次型多中心
SDN
通过转发与控制分离 借助控制面的集中化实现网络的灵活性和开放性 控制器
SDN
.
SDN
，
k
部署是
的控制器部署问题 该文采用多层 路划分方法实现大
SDN
，
，
多控制器直接部署转化为区域划分和域内控制器部署 同时通过减少图划
规模
网络的区域划分 将传统的
SDN
.
， ，
分的域间割边数以降低
跨域流数量以提高流表构建效率 通过实验验证 较其他传统方法 该文提出的层次型多
，
.
中心控制器部署方法可有效减少网络通信代价 降低流表构建代价
:
;
;
k
关键词
中图分类号
URL: http: / /www. ejournal. org. cn
软件定义网络 控制器放置 多层 路划分
:
TP393ꢁ 3
:
A
:
0372－2112 ( 2017) 03－0680－07
文献标识码
文章编号
DOI: 10. 3969 /j. issn. 0372－2112. 2017. 03. 027
电子学报
Controller Placement Based on Hierarchical Multi-center SDN
1
1
2
ZHANG Dong ，GUO Jun－jie ，WU Chun－ming
( 1． College of Mathematics and Computer Science，Fuzhou University，Fuzhou，Fujian 350108，China;
2． College of Computer Science，Zhejiang University，Hangzhou，Zhejiang 310027，China)
Abstract: Software defined networking( SDN) is a style of computer networking that separates the control plane from
the data plane，shifting the control plane to a centralized controller in order to achieve network flexibility and openness. The
controller placement is a key prerequisite to successful SDN. The current study examines the hierarchically distributed control
plane controller placement problem，utilizing a multi－level k－way switch partition algorithm to divide large scale network to－
pology. We also fix the traditional SDN controller placement problem，changing zoning and intra－domain controller place－
ment by reducing the edge－cut in order to lower the number of inter－domain flows. Simulation results show that the multi－
level k－way switch partition algorithm can effectively reduce control flow overhead and flow set－up time，compared with the
other traditional algorithms.
Key words: software defined networking; controller placement; multi－level k－way switch partition
OpenFlow
，
转发放在支持
制域的解耦［2］
的交换机上 实现数据域与控
1
引言
. SDN
SDN
为用户提供网络灵活拓展部署的
，
.
传统网络中 路由控制和数据转发是紧密结合的
，
，
控制平面的操作 更容易部署新一代
能力 通过对
网络协议［3，4］
，
，
随着网络规模的迅速扩大 作为网络核心的路由器 其
.
，
、
.
承载功能不断扩展 如分组过滤 区分服务等 路由器只
SDN
，
架构 依赖拥有全局视图的单一控制
经典的
器［5］ 当交换机收到一条新的流时 需要问询控制器
，
能通过命令行接口等方式对外开放少量的功能 难以
.
，
，
.
在真实网络中实验和部署新型网络技术架构 针对现
，
控制器确定转发规则并将相应流表信息下发交换机
即流表建立过程［6］ 在大规模网络环境中 单一控制器
，
clean slate
有互联网体系面临的困境 美国斯坦福大学
.
，
:
( Software
研究组提出一种新型网络架构 软件定义网络
，
，
难以及时处理大量新流请求 导致网络响应变慢 网络
Defined Networking，SDN) ［1］
，
［8］
其核心思想是控制平面和
. Kandoo［7］，HyperFlow
，
服务质量和扩展性受到制约
，
，
Onix
数据平面相分离 控制功能集中到中心控制器 将数据
和
［9］等分别采用不同策略实现多个控制中心的
: 2015－06－29;
: 2015－08－07;
:
收稿日期
修回日期
基金项目 国家重点基础研究发展计划
863
: ( No. 2015AA016103) ;
责任编辑 梅志强
:
973
: ( No. 2012CB315903) ;
( No. 2011R50010 ꢀ 05，No. 2013TD20) ;
浙江省重点科技创新团队 国家
课题
: ( No. 61379118) ; ( No. 2016Y0060)
福建省引导性重点项目
高技术研究发展计划项目
国家自然科学基金项目
681
3
:
SDN
第
期
张
栋 层次型多中心的
控制器部署
SDN
Root
. Kandoo
，
，
架构
控制器组成 第二层由多个控制器组成 如图
. Root
将控制器划分成两层 第一层由一个
跨域延时 同时选择合适位置部署控制器减少网络通
.
，
，
1
信代价
所
，
控制器拥有网络全局视图 并决定转发规则
.
示
2
问题描述
HyperFlow
WheelFS
分配控制器的方式是基于
hash
分布式文
SDN
G = ( N，E) ， ，N
其中 表
将
网络表示为无向图
，E
. Onix
.
件系统
则通过
SDN
表管理控制器
．
示交换机集合 表示链路集合 使用
．
控制器直连的交换机集合 使用向量
F( F N)
⊆
表示与
，
在大规模
环境中 如何确定多控制器的部署
A = ［a ，a ，…，
1
2
，
，
SDN
位置 即控制器部署问题 是多控制器
部署的基础
a
］
．
H
表示控制器每秒所能处理流的数量 使用矩阵
| F|
.
［10］
和前提 文献 为减少流建立时间和控制流传输代
=［h ］
，h
是一个
表示层次型控制器的分配情况
ij | F| × | O|
ij
，
.
［11］
价 动态调整控制器的数量和位置 文献 根据网络
(
， ) ， ，
i
j
二元组 α
β
ij
α 表示控制器 在第 层所属的区域
ij
ij
，
节点间的最短距离选择控制器的部署位置 分析控制
i
，
| O |
β 表示控制器 的父节点所在区域 其中
表示控制
ij
.
，
器数量和不同位置对传播时延的影响 在此基础上 文
．
层的层数 使用矩阵
X =［ ］
χ
im | N| × | F|
表示交换机分配情
［12］ ( PD) ( TD)
献
考虑传输时延
和发送时延
部署的影响 提出基于时延的网络快速响应控制器部
［13］ SDN
对控制器
，
1
，
i
m
，
况 当 χ 的值为 时 交换机 受控制器 管理 否则
im
，
0．
χ 的值为 使用
T =［ ］
τ
，
表示通信量矩阵 其中
．
im
ij | N| × | N|
;
署方案 文献 通过帕累托优化确定
中需要放
i
j
τ 表示每秒交换机 向交换机 发送的流的数量 使用
ij
置多少个控制器才能使时延和网络恢复能力都达到最
D
数组 表示控制器放置位置
． n
w( n )
发出的流的数量
i
i
.
［14］
，
优 文献 则通过设计一种基于帕累托优化的框架
n
，
( 1)
:
来表示 的权重 根据式
计算
i
、
综合考虑延迟约束 容错率和负载均衡对控制器部署
w( n ) =
( 1)
τ
i
∑
ij
，
的影响 通过采用模拟退火算法的设计思路选择控制
j
N
∈
.
［15］
，
器部署方式 文献
设计一种可编程的控制层 通过
r
i
j
，r
e
表示交换机 到交换机 的最短路径 是边
的
ij
ij
SDN
这个控制层实现降低
、
分布式控制器平面因控制器
．
r
r
，
集合 将经过路径 的流数量总和作为路径 的权重
ij
ij
.
［16］
状态 数据平面状态造成的编程复杂度 文献 以优
w( r )
，
( 2)
:
用
中
表示 可以根据式
计算
ij
，
化控制器和交换机间的通信可靠性为目标 确定控制
w( r ) =
，r
r
⊆
kh
( 2)
τ
∑∑ kh
ij
ij
k
N
h
N
∈
∈
.
，
器放置位置 上述研究主要针对平面型多中心架构 没
d
ij
SDN
;
，
有考虑层次型
控制器部署的需要 其次 集中式的
n
n
l =
ij
，
表示 其
ij
将
到
最短路径的通信开销用
i
j
b
SDN
.
环境的需要 文献
部署策略难以满足大规模跨域
d
n
n
(
间最短路径的长度 可以使用
．
表示交换机
与
ij
i
j
［17］
，
提到层次型控制器结构 但没有考虑合理的拓扑
) ，b
r
跳数衡量
表示 的带宽值
ij
ij
.
划分方式以有效减少流表构建代价 本文针对上述问
( Load)
区域负载
为各个控制域中控制器负载的集
，
k
，
题 提出基于多层 路划分的方法 先划分区域再部署
．
合 控制器负载指的是该控制器每秒处理的流数目总
;
，
控制器以满足多控制器并行部署的要求 同时 在区域
，
m
:
和 控制器 的区域负载表示为
，
划分过程中 针对跨域流对流表建立时间和多控制器
Load =
m
( 3)
τ χ
∑∑ ij im
，
.
协同的延时影响 在分区过程考虑割边最少化
本文将控制器部署问题抽象为交换机划分和控制
( Switch Partition and Controller Placement
i
N
j
N
∈
∈
，Load =
{
Load |1
m
m
≤ ≤
| F | }．
此时
SDN
流表构建代价是评价
．
控制器放置算法的重要
器部 署 问 题
Problem，SPCPP) .
:
标准 流表构建包括三个阶段 交换机向控制器发出流
、
SDN
根据
中各交换机链路间的带宽
请求的初始化阶段 控制器流表路径的计算阶段和控
．
、
值 交换机处理流表的能力以及相互间的物理距离等
制器向交换机下达流表的安装阶段 初始化阶段可以
，
，
因素划分区域 将一个大区域通过层次化方法 均衡划
( 4)
:
表示
用式
.
，
分成几个小区域 在区域划分后 综合考虑通信代价和
I
C =
p
d
τ χ
∑∑ ii im im
( 4)
，
传输时延选择每个域的控制器部署位置 实现多区域
i
N
m
F
∈
∈
.
k
，
的控制器并发部署 本文通过多层 路划分算法 减少
，
路径计算阶段表示控制器进行路径计算 可以使
Q
Q
，
，
域间割边 降低跨域流产生概率 减少流表构建时间和
C
，C
是由控制器内部路径计算组件进行计
用
表示
P
P
，
，
算 通过控制器的拓扑管理组件获知网络情况 再根据
．
拓扑进行路径计算
，
流表安装阶段表示控制器计算完路径之后 向各
，
( 5)
:
表示
个交换机下发流表的过程 可以使用式
L
C =
p
d
τ χ
∑∑∑ ji im im
( 5)
i
N
j
N
m
F
∈
∈
∈
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