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SDN网络中受时延和容量限制的多控制器均衡部署

更新时间：2019-12-24 12:42:10 大小：1M 上传用户：xiaohei1810查看TA发布的资源 标签：sdn网络 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

软件定义网络（SDN）采用一种控制平面和数据平面分离的网络架构，其控制功能由控制器来实现。由于受到控制器处理能力的限制，在大型的 SDN 网络中，单一的控制器无法满足全体交换机的控制需要，必须使用多个控制器来处理所有的数据流。由于控制器和交换机之间的时延将显著地影响新流的转发，控制器的合理部署将有效地提高整个网络的性能。通过对网络进行子域划分，在谱聚类的基础上，通过为k-means增加均衡部署的目标函数，提出了在时延和容量限制下负载均衡的 SDN 网络多控制器部署算法。该算法中引入了一个惩罚函数来防止出现孤立节点。仿真结果表明该算法能均衡地对网络进行划分，使控制器和交换机之间保持较小的网络时延以及使各控制器的负载保持均衡。

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第 37 卷第 11 期  
2016 年 11 月  
通
信
学
报
Vol.37 No.11  
November 2016  
Journal on Communications  
doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2016219  
SDN 网络中受时延和容量限制的多控制器均衡部署  
1,2  
1,2  
1
1,2,3  
1,2  
1,2  
覃匡宇 ，黄传河 ，王才华 ，史姣丽  
，吴笛 ，陈希  
（1. 武汉大学计算机学院软件工程国家重点实验室，湖北 武汉 430072；2. 武汉大学地理空间信息技术协同创新中心，湖北 武汉 430072；  
3. 九江学院信息科学与技术学院，江西 九江 332005）  
摘 要：软件定义网络（SDN）采用一种控制平面和数据平面分离的网络架构，其控制功能由控制器来实现。由  
于受到控制器处理能力的限制，在大型的 SDN 网络中，单一的控制器无法满足全体交换机的控制需要，必须使  
用多个控制器来处理所有的数据流。由于控制器和交换机之间的时延将显著地影响新流的转发，控制器的合理部  
署将有效地提高整个网络的性能。通过对网络进行子域划分，在谱聚类的基础上，通过为 k-means 增加均衡部署  
的目标函数，提出了在时延和容量限制下负载均衡的 SDN 网络多控制器部署算法。该算法中引入了一个惩罚函  
数来防止出现孤立节点。仿真结果表明该算法能均衡地对网络进行划分，使控制器和交换机之间保持较小的网络  
时延以及使各控制器的负载保持均衡。  
关键词：软件定义网络；控制器部署；最小时延；负载均衡；k-means；谱聚类  
中图分类号：TP393  
文献标识码：A  
Balanced multiple controllers placement with latency and  
capacity bound in software-defined network  
1,2  
1,2  
1
1,2,3  
QIN Kuang-yu , HUANG Chuan-he , WANG Cai-hua , SHI Jiao-li , WU Di , CHEN Xi  
1,2  
1,2  
(1. State Key Lab of Software Engineering, Computer School, Wuhan University, Wuhan 430072, China;  
2. Collaborative Innovation Center of Geospatial Technology, Wuhan University, Wuhan 430072, China;  
3. School of Information Science and Technology, Jiujiang University, Jiujiang 332005, China)  
Abstract: Software-defined network (SDN) used a network architecture which separates the control plane and data plane.  
The control logic of SDN was implemented by the controller. Because controller’s capacity was limited, in large scale  
SDN networks, single controller can not satisfy the requirement of all switches. Multiple controllers were needed to han-  
dle all data flows. By the reason that the latency between controller and switch would significantly affect the forwarding  
of new data flow, the rational placement of controllers would effectively improve the performance of entire network. By  
partition the network into multiple sub domains, on the base of spectral clustering, a method that added a balanced de-  
ployment object function into k-means was given and a balanced multiple controllers placement algorithm in SDN net-  
works which has the latency and capacity limitations was proposed. In this approach, a penalty function was introduced in  
the algorithm to avoid isolation nodes appearing. The simulations show that this algorithm can balance partition the net-  
work, keep the latency between controller and switch small and keep loads balancing between controllers.  
Key words: software-defined network, controller placement, minimal latency, load balancing, k-means, spectral clustering  
[1]  
制平面和数据平面分离 。在 SDN 网络中，交换机  
1 引言  
只负责数据转发，控制逻辑由称为控制器的服务器  
来提供。在目前广泛使用的 SDN 方案 OpenFlow 中，  
数据转发以流为单位，一个流根据网络地址、网络  
软件定义网络是一种新型的可以简化管理、提  
升扩展性的网络架构，其思想是将交换机网络的控  
收稿日期：2016-02-25；修回日期：2016-09-06  
通信作者：黄传河，
基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.61373040, No.61572370)  
Foundation Item: The National Natural Science Foundation of China (No.61373040, No.61572370)  
2016219-1  
万方数据  
第 11 期  
端口和协议类型等信息来进行覃定匡义宇。等：OSpDeNn网Fl络ow中受交时延和容量限制的多控制器均衡部署  
分别为 2 个域中控制器的位置，但浅色区域有·79台1·  
换机中维持了多个流表来指导流的转发。当数据流  
进入 OpenFlow 交换机时，交换机会按照与该流匹  
配的流表项来转发数据。如果交换机的流表中没有  
与之匹配的转发项，则会向控制器发出查询。控制  
器做出决策后再将新的流表项下发到交换机。这套  
机制使网络管理者可以对数据的转发进行精细的  
控制，同时交换机可以被做得简单和便宜，交换机  
只需要实现数据转发功能，路由、安全策略等控制  
任务统一由控制器负责。SDN 网络带来的另外一个  
好处就是易于扩展。由于所有的控制逻辑都转移到  
控制器上，只要升级控制器的软件，整个网络就能  
够支持相应的新特性。  
交换机，深色区域只有 5 台交换机。出于负载均衡  
的需要，可以调整交换机的分配，将交换机 C 分配  
给控制器 B，因 为 C 到 A 和 B 有相等时延，此时可  
以在不改变整体平均时延的情况下，获得更好的均  
衡性，如图 1(b)所示。但这样的调整却导致了浅色  
区域被割裂，使原来的域内通信变成跨域通信，产  
生性能、可靠性和安全性等一系列问题。这就是控  
制器部署中的域内连通性问题。如果不进行连通性  
分析，仅从优化公式上难以发现其问题，当网络拓  
扑为非凸结构时，这种情况很容易出现。因而，健  
壮的控制器部署算法应该能够识别类似图 1(b)的情  
况，绕过被割裂的方案，实现最合理的部署。  
尽管 SDN 网络具有很多优点，但其缺点也同  
样明显。由于控制器担负了整个网络的控制工作，  
控制器的处理能力及控制器与交换机之间通信的  
时延对整个网络的性能有着重要的影响。对于大型  
的网络，靠单台控制器进行流表的分发无法胜任全  
体交换机的需求，这时需要使用分布式的多个控制  
器来分担整个系统的压力。如何在大型网络中有效  
地实现分布式的控制管理，是 SDN 网络的一个重  
要研究课题。本文研究如何在 SDN 网络中部署多  
个控制器的问题。多控制器的部署包括 3 方面：1)  
确定需要多少个控制器；2) 这些控制器部署在哪  
里；3) 哪些交换机归由哪个控制器来进行管理。  
要实现控制器的合理部署，实际上面临着较大  
的挑战。为了保证网络的性能，交换机到其管理控  
制器之间存在一个最大可容忍时延，同时单个控制  
器受限于处理能力，能管理的交换机个数有限。因  
而部署中受到最大时延和控制器容量的限制。在实  
际部署中，为了降低部署成本，应尽量减少控制器  
的个数。在保证低成本的同时还要提高性能，交换  
机到控制器的平均时延应该尽可能小，各控制器间  
负载应尽可能均衡，因而部署要兼顾控制器个数  
少、时延小、负载均衡 3 个指标。单独考虑时延最  
小这一个指标时，SDN 网络受时延和容量限制的多  
控制器部署问题可归约为带权的最小覆盖集问题，  
这是一个 NP 完全问题，理论上无法找到多项式时  
间内的解法。当同时考虑多个指标时，情况更加复  
杂。此外，当网络拓扑存在复杂的结构时，还会出  
现连通性的问题，如图 1 所示。  
图 1 优化中出现不连通情况  
为了实现控制器的均衡部署，相比于先确定控  
制器位置再进行交换机的分配，若从一开始就对网  
络进行均衡的分区并求取各区域中心作为控制器  
的部署位置，后者能更好地实现降低时延和负载均  
衡的要求。本文通过对网络时延及拓扑结构进行分  
析，以改进的谱聚类方法来研究控制器的部署问  
题，较好地解决了这些问题。本文的贡献在于：1) 在  
谱聚类的基础上改进了 k-means 算法，通过在每一  
轮迭代的过程中加入了一次节点类别的调整，实现  
了 SDN 网络中受时延和容量限制的多控制器均衡  
部署；2) 提出了部署中的连通性问题，在交换机调  
整的目标函数中加入了孤立点惩罚因子，使调整过  
程有效地避免了域内出现孤立节点。  
2 相关的研究工作  
近年来，SDN 的相关研究一直保持着持续的热  
度。为了解决单控制器性能不足的问题，相关研究  
人员提出了许多解决方案。在 DevoFlow 中，研究  
人员提出在交换机中预先安装通配符规则，通过区  
分处理“老鼠流”和“大象流”，在交换机上平均  
[2]  
减少了10~53倍的流表量和10~42倍的控制信息 。  
DIFANE 在交换机中设置权威交换机，控制器规则  
图 1(a)为找到的一个部署方案 1，此时网络分  
为 2 个域，其节点分别用浅色和深色表示，A 和 B  
先下发到权威交换机中，普通交换机直接向权威交换  
[3]  
机查询，权威交换机再将规则下发到普通交换机 。  
2016219-2  
万方数据  

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