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SDN中基于分布式决策的控制器 负载均衡机制

更新时间：2019-12-24 19:04:54 大小：1M 上传用户：守着阳光1985查看TA发布的资源 标签：sdn负载均衡 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

针对SDN多控制器负载均衡过程中,控制器选取僵化和交换机迁移冲突问题,提出了一种基于分布式决策的控制器负载均衡机制,分为三个阶段进行实施:首先通过周期性收集网络信息,结合控制器负载状况构建分布式迁移决策域;然后在域中依据选取概率确定迁移交换机,综合权衡数据收集、交换机迁移和状态同步三种代价选择目标控制器;最后建立迁移时钟模型,完成交换机迁移和控制器角色转换.仿真结果表明,与现有的负载均衡机制相比,降低了网络的通信开销,流建立时间平均缩短0. 14s,控制器资源利用率提高了21. 7%


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SDN中基于分布式决策的控制器_负载均衡机制.pdf 1M

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10  
Vol． 46 No． 10  
Oct． 2018  
第
2018  
期
10  
电
子
ACTA ELECTRONICA SINICA  
学
报
年
月
SDN  
中基于分布式决策的控制器  
负载均衡机制  
1
1
2
3
1
1
，
，
，
，
，
，
胡 涛 张建辉 邬 江 何为伟 江逸茗 赵 伟  
( 1．  
450002; 2．  
，
102200;  
国家数字交换系统工程技术研究中心 河南郑州  
中电长城网际系统应用有限公司 北京  
， 510010)  
部队 广东广州  
3． 75775  
中国人民解放军  
:
SDN  
， ，  
多控制器负载均衡过程中 控制器选取僵化和交换机迁移冲突问题 提出了一种基于分布式  
摘
要
针对  
，
:
，
决策的控制器负载均衡机制 分为三个阶段进行实施 首先通过周期性收集网络信息 结合控制器负载状况构建分布  
;
，
、
式迁移决策域 然后在域中依据选取概率确定迁移交换机 综合权衡数据收集 交换机迁移和状态同步三种代价选择  
;
，
．
，
目标控制器 最后建立迁移时钟模型 完成交换机迁移和控制器角色转换 仿真结果表明 与现有的负载均衡机制相  
，
，
0． 14s， 21． 7% ．  
比 降低了网络的通信开销 流建立时间平均缩短  
控制器资源利用率提高了  
:
;
;
;
;
关键词  
中图分类号  
URL: http: / /www． ejournal． org． cn  
软件定义网络 控制器 负载均衡 交换机迁移 分布式决策  
TP393  
0372-2112 ( 2018) 10-2316-09  
DOI: 10． 3969 /j． issn． 0372-2112． 2018． 10． 002  
:
:
A
:
文章编号  
文献标识码  
电子学报  
Controller Load Balancing Mechanism Based on  
Distributed Policy in SDN  
1
1
2
3
1
1
HU Tao ，ZHANG Jian-hui ，WU Jiang ，HE Wei-wei ，JIANG Yi-ming ，ZHAO Wei  
( 1． National Digital Switching System Engineering ＆ Technology Research Center，Zhengzhou，Henan 450002，China;  
2． GEG Cyber Space Great Wall，CS． LAB，Beijing 102200，China;  
3． Troops 75770 of People’s Liberation Army，Guangzhou，Guangdong 510010，China)  
Abstract: In the process of SDN multi-controller load balancing，controller selecting is rigid and switch migration is  
conflicting． This paper proposes a controller load balancing mechanism based on distributed policy，which is divided into  
three phases． Firstly，through collecting network information periodically，distributed migration decision domains are struc-  
tured according to controller load conditions． Then the switches are migrated according to selecting probability． By balancing  
three costs included data collection，switch migration and state synchronization，the target controllers are determined． Finally，  
this mechanism sets the migration countdown to complete the switch migration and controller role conversion． Results show  
that，compared with the existing load balancing mechanism，this method could reduce the total network communication over-  
head，flow establishment time is shortened 0． 14s averagely，controller resource utilization has been increased by 21． 7% ．  
Key words: software defined network; controller; load balancing; switch migration; distributed policy  
．
方案  
1
引言  
尽管多控制器架构提高了控制器的可扩展性和可  
［1］ ( Software Defined Networking，  
软 件 定 义 网 络  
，
靠性 但当控制器管理的交换机在某个时间段内发生  
SDN)  
，
作为一种新型网络体系架构 成功解决了传统网  
，
流量激增或者瞬减时 很容易导致所属控制器出现热  
，
(
)
(
)
，
络的设计僵化问题 实现数据平面和控制平面的完全  
点 负载骤增 或者冷点 负载骤减 现象 不利于整个  
．
解耦 随着网络规模的日益扩大  
，SDN  
．
控制平面的单控  
，
网络架构的稳定和控制器间负载均衡  
，
目前 关于控制器负载不均衡问题的解决方案可  
制器设计已经不能满足现有的流量需求 因此业界相  
:
以分为两类  
，
继提出了逻辑上集中 物理上分布的多控制器部署  
: 2016-12-20;  
:
: 2017-11-21;  
:
收稿日期  
修回日期  
基金项目 国家网络空间安全专项课题  
( No． 61521003)  
责任编辑 孙瑶  
( No． 2017YFB0803204) ;  
863  
( No． 2015AA016102) ;  
高技术研究发展计划 国家自然科学基金创新研  
国家  
究群体科学基金  
2317  
10  
: SDN  
中基于分布式决策的控制器负载均衡机制  
第
期
胡
涛
1
．
，
方案  
通过改变控制器的配置方式和部署位置  
机就近迁移至邻居控制器 但在该架构中 考虑因素仅  
来避免控制器过载［2 ～ 6］ 这类方案无法根据实时流量状  
．
况对网络进行动态调整  
．
， ，  
限于单控制器过载状况 虽然减少了迁移时延 但当邻  
，
．
居控制器也处于高负载状况时 该迁移机制失效 文献  
方案  
通过迁移交换机来确保负载均衡［7 ～ 11］  
该
2
．
［10］  
，
中作者基于控制器剩余处理容量 提出了一种控  
，
，
方案虽然能够动态调整网络负载 但在交换机迁移过  
制器负载均衡算法 迁移交换机至剩余处理容量最大  
的控制器 王文博［11］等人将交换机迁移优化成为控制  
．
，
，
，
程中 关于目标控制器选取 仅考虑时延或控制器容量  
．
，
，
器的热备份及选举问题 通过对控制器进行热备份 并  
容易导致目标控制器选取僵化  
，
，
，
设计相应的备份空间确定算法和主控制器选举算法  
．
针对上述问题 本文从交换机迁移的角度出发 提  
( Distribu-  
实现合理的网络构建  
出了一种基于分布式决策的控制器负载均衡  
ted Policy based Controller Load Balancing，DPCLB)  
，
2
1，  
．
综上所述 方案 相比方案 虽然改善了网络静  
机制  
， ，  
态配属存在的缺陷 但控制器负载度量考虑单一 算法  
:
本文的主要贡献和创新工作总结如下  
，
．
( 1) DPCLB  
，
设计复杂 容易造成交换机迁移冲突问题  
结合交换机迁移思想 对  
、
机制进行建  
，
、
模 考虑交换机选取概率 数据收集代价 交换机迁移代  
．
3
分析与建模  
价和状态同步代价是影响控制器负载均衡的主要因素  
3. 1  
问题分析  
( 2)  
，
构建分布式迁移决策域模型 在决策域中依据  
SDN  
．
多域多控制器网络 由于流  
本文研究背景是  
;
选取概率确定迁移交换机 基于贪婪算法选择目标控  
，
，
量在时间和空间分布具有不均匀性和不确定性 因此  
;
，
“
”，  
制器 建立迁移时钟模型 设定 迁移倒计时 避免迁  
，
一旦某子域中部分交换机处于流量突发状态 很容易  
，
．
移冲突 有效提高交换机迁移效率 多代价权衡和迁移  
．
，
导致该子域控制器的处理资源被大量消耗 严重时有  
．
可能造成该控制器宕机 另外一些子域的控制器需要  
时钟设定也保证控制器负载的均衡分布  
( 3)  
从原理论证和仿真实验两个层面与现有机制  
，
．
，
处理的流请求较少 控制器资源利用率低下 总而言之  
，
，
进行比较 综合多种性能评价指标 基于仿真场景开展  
控制器负载的不均衡分布导致控制器资源利用不合  
，
DPCLB  
．
实验研究 验证  
机制性能  
，
．
，
1
理 降低了网络整体的流传输与处理能力 例如 在图  
2
相关工作  
，
s
c
，
中 由于交换机 流量突发导致 成为过载控制器 但  
1
2
．
其余控制器仍处于负载正常状态  
，
1
在控制器负载均衡研究过程中 方案 作为一种先  
通过对控制器负载不均衡问题进行深入分析可  
，
． Fu  
验式方案 主要有以下研究进展  
［2］等人在多控制器  
，
知 交换机和控制器之间的静态连接是导致控制器间  
，
，
部署的基础上 提出了一种控制器休眠模型 在流量负  
［3］  
． Guo  
．
负载无法有效转移的关键因素 在  
OpenFlow1. 2  
，
协议  
，
载较轻时 允许部分闲置控制器进入休眠状态  
，
交换机和控制器之间形成一种全新的连接关系 这使  
．
，
等人提出基于负载方差同步的负载均衡方案 当控制  
得通过交换机迁移调整控制器负载成为可能  
，
，
器的负载超过预设阈值 控制器间实施负载同步 实现  
了无环路转发和良好的负载平衡性能 张栋［4］等人针  
1
，
s
master  
c
控制器 由于流  
在图 中 当交换机  
的
．
1
2
，
s
slave  
( c ，c ，  
控制器群  
量激增发生过载时 需要在  
的
master  
SDN  
，
k
对层次型多中心  
的控制器部署问题 采用多层  
1
1
3
c )  
，
中选举一个控制器作为  
．
迁移任务 但现有交换机迁移方案仍存在以下问题亟  
控制器 完成交换机  
SDN  
，
路划分方法实现大规模  
网络的区域划分 通过减  
SDN ． San-  
4
少图划分的域间割边数以降低  
跨域流数量  
［5］  
，
．
待解决 同时这些问题也是本文研究重点  
tos  
，
等人提出了一种联邦控制器架构 使用聚类算法  
( 1) SDN  
，
迁移域 确定迁移交换机和目标  
如何构建  
，
基于单个连接创建子网 优化了控制器部署位置的选  
取
［6］ 等人提出  
;
控制器  
． Hock  
POCO ( Pareto-based Optimal Con-  
( 2)  
，
如何实施交换机迁移任务 避免交换机迁移冲  
．
troller)  
，
，
Pareto  
框架 考虑不同的性能度量 使用  
优化配  
突和控制器状态不一致问题  
，
，
．
置 提升了网络的可靠性 但算法运行时间较长  
［7］  
3. 2 DPCLB  
建模  
OpenFlow1． 2  
，
2
继
协议提出之后 方案 逐渐受到  
［8］  
G = ( V，E)  
，V  
E
整个网络拓扑用无向图  
表示  
和
分
M
． Heller  
，
首次提出交换机迁移策略 考虑交  
研究者重视  
．
别表示网络中的节点集合和链路集合 在网络中有  
，
换机和控制器之间的时延度量 通过迁出过载域中部  
．
分交换机实现控制器负载均衡 不足之处在于该方案  
，
C， N  
，
个控制器 控制器集合为  
有
个交换机 交换机集合  
假设控制器可以优化地部署在  
SDN  
S， | V| = | C | + | S | ．  
为
且
，
只是进行了数学分析 对于如何选取迁移交换机未做  
网络拓扑中［8］ 一个控制器管理多个交换机形成  
，
．
［9］ ElastiCon  
，
说明 文献 中作者提出了一种  
架构 基于  
．
d，  
s
c
子域 设备间的跳数为 设交换机 和控制器 的连  
，
双门限值进行负载决策 根据控制器负载阈值将交换  
i
n

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