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基于负载通告的SDN多控制器负载均衡机制
资料介绍
多控制器负载均衡是SDN网络部署研究中关注的问题之一.该文针对多控制器间负载均衡的时间效率问题,提出一种基于负载通告策略的负载均衡机制(LILB).该机制包括负载测量、负载通告、均衡决策和交换机迁移4个核心功能组件.借助于负载通告的能力,每个控制器可以在过载后无需收集其他控制器的负载信息而尽快完成均衡决策.为了减少负载通告带来的通信负荷和处理负荷,该文提出一个抑制算法来降低负载通告的频率.此外,该文还提出了最重过载控制器、迁移交换机和目标控制器的决策方法,以及目标控制器接受迁移请求的判定策略来避免控制器的负载震荡;并为支持交换机迁移过程中控制器角色的平滑切换设计了一种交换机迁移的消息交互机制.最后,在基于Floodlight和Mininet的实验环境中验证了所提出方法的有效性.
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（完整内容请下载后查看）第 39 卷第 11 期
2017年11月
电
子
与
信
息
学
报
Vol.39No.11
Nov. 2017
Journal of Electronics & Information Technology
基于负载通告的 SDN 多控制器负载均衡机制
王
颖
余金科*
裴科科
邱雪松
(北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室 北京 100876)
摘
要：多控制器负载均衡是 SDN 网络部署研究中关注的问题之一。该文针对多控制器间负载均衡的时间效率问
题，提出一种基于负载通告策略的负载均衡机制(LILB)。该机制包括负载测量、负载通告、均衡决策和交换机迁
移 4 个核心功能组件。借助于负载通告的能力，每个控制器可以在过载后无需收集其他控制器的负载信息而尽快完
成均衡决策。为了减少负载通告带来的通信负荷和处理负荷，该文提出一个抑制算法来降低负载通告的频率。此外，
该文还提出了最重过载控制器、迁移交换机和目标控制器的决策方法，以及目标控制器接受迁移请求的判定策略来
避免控制器的负载震荡；并为支持交换机迁移过程中控制器角色的平滑切换设计了一种交换机迁移的消息交互机
制。最后，在基于 Floodlight 和 Mininet 的实验环境中验证了所提出方法的有效性。
关键词：软件定义网络；控制器负载均衡；负载通告；均衡决策
中图分类号： TP393
文献标识码： A
文章编号：1009-5896(2017)11-2733-08
DOI: 10.11999/JEIT161054
A Load Informing Based Load Balancing Mechanism for
Multiple Controllers in SDN
WANG Ying
YU Jinke
PEI Keke
QIU Xuesong
(State Key Laboratory of Networking and Switching, Beijing University of Posts and Telecommunications,
Beijing 100876, China)
Abstract: Load balancing of multiple controllers is currently a focused issue in the research area of Software
Defined Networking (SDN) deployment. Considering the issue of time efficiency of load balancing, this paper
proposes a Load Balancing mechanism based on a Load Informing strategy (LILB). The mechanism involves four
components: load measurement, load informing, balance decision and switch migration. Due to the function of load
informing component, when a controller becomes overloaded, it can make load balance decisions without collecting
other controllers’ load information. To reduce the communication overload and processing overhead caused by load
informing component, this paper also proposes an inhibition algorithm to lower the frequency of informing load
information. Moreover, this paper designs some decision methods of judging overloaded controllers, migrated
switches, target controllers, and a judge about accepting a migration request for target controllers to avoid the load
oscillation among controllers. Meanwhile, to achieve the smooth switching of controllers’ roles during migrating
switches, an information interaction procedure is also designed. Finally, experiments are carried out based on
Floodlight and Mininet to verify the feasibility and efficiency of the proposed mechanism.
Key words: Software Defined Networking (SDN); Controller load balancing; Load informing; Balance decision
1 引言
行为，它给网络提供了可编程性、易管理性和快速
的创新性[1]。SDN的本质思想是将控制平面和数据
平面分离。这种分离带来了许多优势，如通过一个
集中化的控制器管理整个网络和为上层的应用抽象
底层网络的基础设施。然而单一且集中的控制器存
在可靠性[2]和扩展性问题，为此一些研究工作部署多
控制器来避免单一集中控制器的这些瓶颈。
在从传统网络到未来互联网的演进过程中，软
件定义网络(Software Defined Networking, SDN)是
一种新型且受欢迎的模式。通过动态地自定义网络
收稿日期：2016-10-12；改回日期：21；网络出版：2017-09-13
*通信作者：余金科
基金项目：国家自然科学基金(61501044)，国家 863 计划项目(2013
AA013502)
Foundation Items: The National Natural Science Foundation of
China (61501044), The National Program 863 of China
(2013AA013502)
已有许多文献给出了多SDN控制器的部署解决
方案，如Kandoo[3], Onix[4]和HyperFlow[5]。虽然这
些解决方案可以解决单一集中式控制器的可靠性和
扩展性问题，但是带来另一个不可避免的问题：多
万方数据
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电 子 与 信 息 学 报
第 39 卷
控制器节点间负载分布不均的问题。因为相较于其
他交换机，某些交换机可能接收到大量新数据流而
产生众多Packet-In消息。这样，控制具有众多
Packet-In消息的交换机的控制器因为处理信息而负
个控制器及其控制的多个交换机。当某个域的控制
器过载后，它收集邻域中控制器的负载信息，然后
选择边界交换机作为待迁移交换机迁移至邻域。文
献[11]首先将控制器负载均衡问题转化为交换机迁
载过重，其他控制器则处于相对较低的负载状态下。 移问题，然后提出的DHA算法程序根据收集的控制
此外，这些部署方案中，控制器与交换机间的映射
关系是静态的，不均匀负载分布得不到解决而导致
整个网络性能的下降，因此解决多控制器间负载分
布不均问题非常重要。
器负载信息求解交换机迁移问题从而决定是否需要
负载均衡。这些方案中，控制器过载后收集其他控
制器信息的过程延长了负载均衡的完成时间。
基于上述分析，控制器过载后收集其他控制器
负载信息的过程影响着负载均衡的时间效率。为了
使过载的控制器尽可能快地被均衡，本文提出了
LILB 机制(Load Informing based Load Balancing
mechanism)。这个机制基于一个负载通告策略，即
控制器主动地将其负载状态通告给其他控制器，同
时也处理和存储其他控制器通告的负载状态。这样，
控制器过载后不再需要收集其他控制器的负载信息
就可以及时地做出决策。本文提出的机制作为控制
器的一个模块，周期性地收集控制器的负载状态、
决定是否通告负载状态给其他控制器，做出均衡决
策以及迁移交换机。其中，均衡决策中含有最重过
载控制器的判断以及在选择迁移交换机和目标控制
器时添加相应的约束条件。交换机迁移则通过设计
一种有效且简化的迁移时消息交互机制来实现。
具体来说，本文的贡献主要如下：
当前，关于多控制器负载均衡决策的研究工作
可以分为集中式决策和分布式决策两类。集中式决
策 [6-8] 的特点是在整个网络中存在一个逻辑集中的
模块或全局控制器负责局部控制器间的负载均衡。
例如，文献[6, 8]提出的ElastiCon方案设计一个负载
调节模块负责收集控制器池中各控制器负载信息，
并根据收集的信息做出相应的决策来均衡控制器间
负载。文献[8]的方案则是从网络中所有控制器中选
择一个作为协调控制节点，此节点负责收集每个控
制器的负载状态并维持一个全部控制器负载信息
表。根据这个表，协调控制节点决定是否均衡一定
区域内控制器间的负载。文献[9]阐述了集中式决策
通常具有两个不足：(1)逻辑集中的全局控制器周期
地收集负载信息需要与局部控制器频繁的交换信
息，这样影响整个系统的性能。同时，如果全局控
制器故障，网络中控制器间负载均衡功能将失效。
(2)集中式决策的一个负载均衡周期中，需要两个基
本的过程：一个是全局控制器周期地收集局部控制
器的负载信息，另一个是给需要均衡的过载局部控
(1)提出一种负载通告策略，使控制器可以尽快
地做决策从而缩短负载均衡时间；为了降低负载通
告给控制平面网络带来的通信负荷和控制器处理通
告的负荷，本文提出一个抑制算法来减少负载通告
制器发送负载均衡命令。在这两个过程完成的时候， 的频率；
(2)设计了最重过载控制器、待迁移交换机和目
局部控制器的负载状况可能发生了变化，致使均衡
命令滞后于实时的负载状况。
标控制器的抉择方法，同时规定在同一时间，目标
控制器只响应一个负载迁移请求，在此请求完成后
才能再次接受请求。这些策略可以在一定程度上避
免控制器间负载震荡；
针对上述集中式决策的不足，分布式决策则保
证SDN网络中每个控制器有一个负载均衡器来负责
此控制器的负载均衡，没有全局和局部控制器之分。
这样可以避免全局控制器的存在带来的系统性能和
故障问题。同时，每个控制器可以做出负载均衡决
策，所以相较于集中式决策，发送均衡命令的过程
可以省略。因此，本文研究分布式负载均衡决策。
然而，现有的分布式决策[9-11] 在控制器检测到自己
过载后，首先收集其他所有控制器的负载信息，再
做出负载均衡策略。DALB方案[9]首先周期地测量控
制器的负载状况，然后判断是否超过门限值。如果
超过，此控制器则收集网络中其他控制器的负载信
息，再判断自己是否符合负载迁移的条件。如果符
合，则做出负载均衡策略，如选择待迁移交换机并
迁移。文献[10]是将网络分为多个域，每个域含有一
(3)设计了一种交换机迁移的消息交互机制，可
以实现交换机迁移过程中控制器角色的平滑切换；
(4)实现了本文提出的负载均衡机制，并且将实
现的机制嵌入 SDN 实验环境中加以验证。
本文第 2 节说明此机制的设计细节，第 3 节验
证该机制的有效性和快速性，第 4 节总结全文。
2 机制描述
本文提出的 LILB 作为一个模块运行在 SDN控
制器中。此模块含有 4 个组件：(1)负载测量组件，
用于测量负载度量参数和判断控制器的负载状况是
否超过负载门限；(2)负载通告组件，负责发送控制
器的负载状态给其他控制器；(3)负载决策组件，负
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