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第11期
陆悠,等:基于拓扑划分的SDN多控制器部署方法
路)连接。这种存在高连通度局部拓扑的特性天然为实现多
控制器部署提供了支撑,若在上述物理区隔的各个高连通分量
中部署互为备份的控制器,能够有效降低多个控制器同时失效
的可能性,并为失效时实现控制器切换提供支撑,因此发现这
样的高连通分量并在其基础上实施多控制器部署是合理的思
路。此外,由于传统基于带内的控制一转发层面间链接方式会
使得区域内控制器到达其他区域转发设备存在跳数多、延迟大
等不平衡问题,不利于切换后控制策略的部署及收敛,所以引
入带外链接概念,尽可能提供控制器到其他区域的直接链路,
从而为失效后的控制器快速切换提供支撑。为了更好地讨论
上述内容,本文给出如下问题描述以及相关概念。
多控制器协作思想,提出了一个基于min—cut的图形分割算法
来部署控制器;Hu等人。13。同样基于多控制器协思想,对控制
层面的可靠性问题比较了几种不同的部署控制器的启发式方
法;Heller等人¨ 4o引入了平均情况延迟和最坏情况延迟这两
个指标,基于K—median和K—center思想计算协作控制时的控
制器数量及部署的位置;而Jimenez等人【1纠则针对协作控制的
鲁棒性,提出基于K—critical算法的控制器数量及部署规划方
法。然而这些方法主要针对转发节点出现失效,一旦有部分控
制器或者控制和转发层面间链路出现故障,上述方案并不能保
证控制层面能及时有效地恢复工作。因此,从确保SDN控制
层面的可靠性角度来看,现有的多控制器部署方法的研究成果
存在以下不足:
给定自治域,多控制器部署模型的解决思路为:一方面对
自治域进行拓扑分析,从中分析连通分量,并基于其结果确定
控制器数量及部署范围;另一方面根据分析结果设计控制器到
每个连通分量的带外控制链路,优化控制器到转发设备的传输
距离,从而实现具备高可靠性的控制层面。为了便于讨论,本
文给出如下概念:
a)更多考虑多控制器协同,较少考虑控制器备份。部分
工作使用多个控制器目的是为了适应更大规模的网络,而非控
制层面的失效和备份,难以保证SDN的可靠性。
b)更多考虑转发层面的节点失效问题,较少考虑控制器
自身失效以及控制层面和转发层面链路失效问题。部分工作
更多针对转发设备及其通信链路失效,通过在网络中部署多个
控制器来实现故障发现、处理等能力,但这些方法难以处理控
制器自身以及控制节点与转发节点间链路失效问题,同样不利
于SDN控制层面的可靠性。
定义l图、节点、边。
设给定自治域网络拓扑如图1所示,则可将网络拓扑抽象
为图G(V,E),V为图中的节点(node)集合,对应传输层设备
(如OpenFlow交换机);E为边(edge)集合,对应链路,显然有
e(“,口) E,口 V,“ V,u≠口。另外设整数m和/"t(I VI=/l,
lEI=m)分别表示图G中节点的数目和边的数目,为不失一般
性,网络中若一对传输设备中存在多条实际通信链路的情况,
则这些链路会被视为G中的同一条边。
e)较少从控制层面与转发层面的链接方面考虑如何提高
控制层面可靠性。现有的大部分多控制器部署方案并未单独
设计控制层面与转发设备的链接方式,而是采用带内(in—
band)模式链接控制和转发层面,逻辑上独立的控制与转发层
面的数据传输交织在一起,使得传输层面链路故障会对控制层
面造成影响,进一步削弱了SDN的可靠性。
蚋
基于以上分析,本文对当前SDN控制层面的可靠性问题
展开针对性研究,在已有研究基础上,提出了一个基于拓扑划
分的SDN多控制器部署方法,一方面从控制器部署和控制一
数据层面链路两方面人手,对现有方法进行改进,首先针对网
络拓扑本身存在高连通度的局部拓扑这一特性,提出基于最小
户乎衡边割的拓扑划分算法,通过计算高连通分量,进而基于
高连通分量来规划控制器数量及其部署位置;另一方面针对不
同位置部署控制器导致其与各转发设备的距离存在不平衡性,
引入带外(out—band)链接思路,设计控制器与传输节点的链接
规划方法,在每个控制器与不同连通分量间构建链接,从而进
一步提高控制层面的可靠性以及控制节点失效时的切换效率,
为失效后控制器切换提供支撑。基于实际网络拓扑的仿真实
验结果表明,与现有多控制器部署方法相比,本文方法在控制
器切换时的收敛速度、控制策略执行效率以及网络可靠性等多
个评价指标上表现更好,能够在控制层面或其链路失效时快速
有效地实现控制器切换。
粼
图1
f]ia域I司络拓扑■;例
定义2连通、连通值、直连通、直连通值。
衡量SDN能否正常工作,可以通过转发设备间的链接情
况来判断。如果网络中任意两个转发设备间存在一条可达路
径,称这两个节点间是连通的,其连通值为l;反之,则为不连
通的,连通值为0。在图G中用P(“,口)表示节点u、口间的连通
值,于是有
1
if eixst
G
f
e(u,”1),e(“,”2), ,in
otherwise
p(Ⅱ,口)={
【0
在p(Ⅱ,”)基础上可以得到图G的连通值P(G)= 。。,。,
P(Ⅱ,”)。如果网络任意两个转发节点间存在通信连路,称这两
个转发节点是直连通的,直连通值为1;反之为0。因此在图G
1
多控制器部署模型
中,可以用P(//,,。)来表示节点“、”间的直连通值,在其基础上
1.1
E
问题描述及相关概念
I-m,若
可以得到图G的直连通值P(G),显然P(G)=l
r凡、
应用SDN架构的网络如大型企业、学校等单位,其转发设
备的部署往往与实际部门或人员分布密切相关,而这些部门和
人员分布往往具备局部的内聚性,反映在网络拓扑上即整个网
络中可以分为若干物理区隔的区域,区域内转发设备内部连通
度较高,而区域间往往使用较少的链路(甚至是单条骨干链
P(G)=1.1,其中IyI=,z,则此图为完全连通图。
z
l
J
显然,如果图G是正常工作的网络,G中任意两个节点之
间都应该存在路径,此时称图G是连通图。本文处理的对象
都是正常工作的网络,因此下文中如果不加特别说明,所有的
万方数据
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