软件定义网络中多控制器负载均衡技术研究

发布时间：2020-04-11 07:00

【摘要】：基于OpenFlow的软件定义网络(Software-Defined Networking,SDN)是一种新型的网络架构,可有效解决传统网络中设备管理困难、网络配置复杂和业务更新部署缓慢等问题。它通过控制与转发分离、集中式管理与控制和开放可编程的网络接口等特点大大提高了网络的开放性和设备流量管控的灵活性。典型的单一控制器的SDN控制平面存在一些固有问题和挑战:一是控制平面性能瓶颈的可靠性及可扩展性问题;二是单一控制器单点失效的安全问题。SDN多控制器的分布式控制平面通过对网络设备和流量的分域独立管控,提高了控制平面的可靠性、可扩展性和安全性。然而,控制器和交换机之间的静态匹配和不同网络域流量模式的差异导致了多控制器之间的负载均衡无法实现。以交换机迁移方式来进行多控制器负载均衡成为了一个重要研究课题。本文主要针对SDN多控制器的负载均衡中控制器过载判断较为粗放和负载均衡效率低、代价大等问题进行着重研究,并从不同方面提出了两种SDN多控制器负载均衡方案:1)基于响应时间的多控制器负载均衡方案SMCLBRT(SDN Multi-Controller Load-Balancing based on Response Time)。该方案实时监听并统计控制器对Packet-in消息请求的平均响应时间,并通过多次测试平均响应时间随控制器处理负载的变化特征来选择出合适的响应时间阈值,从而更加准确和细粒度地实现了对控制器过载的判断和处理。对于存在多个控制器同时过载的问题,该方案在一次负载不均衡判断中实现多个过载控制器的同时处理,提高了多控制器过载的负载均衡处理效率。仿真结果表明,该方案可以有效均衡SDN控制平面负载,降低网络延迟,且保证较低的均衡代价,实现了较高的整体负载均衡度。2)基于流量预测的多控制器负载均衡方案SMCLBFP(SDN Multi-Controller Load-Balancing based on Flow Prediction)。该方案结合Taylor展开公式和历史负载值由预测算法来判断出可能将要过载的控制器,并对它们进行交换机迁移的负载均衡预处理,以尽量避免过载控制器的产生和它们对网络服务的影响。同时,该方案以“过载预处理”代替“过载后处理”的方式可以有效降低多控制器负载均衡的迁移代价。仿真结果表明,该方案可以有效均衡SDN控制平面负载,且降低了SDN控制平面的控制器过载率,可以实现对过载控制器的预处理,同时也降低了控制平面不均衡后的处理代价。
【图文】：

据转发功能，整合分布式的路由控制功能到集中的控制器中来实现对网络资源的逡逑统一管和调配。同时，ＳＤＮ将分离后的数据转发功能完全由二层ＯｐｅｎＦｌｏｗ交换逡逑机完成。ＳＤＮ的架构如图２．１所示，主要包括３个平面：应用平面、控制平面和逡逑数据平面，应用平面中包括ＳＤＮ应用编排及资源管理，应用平面与控制平面之逡逑９逡逑

２．２邋ＯｐｅｎＦｌｏｗ邋协议逡逑在ＯｐｅｎＦｌｏｗ在２００８年提出后，ＯＮＦ邋—直致力于南向接口协议标准化的工逡逑作。ＯｐｅｎＦｌｏｗ也由最早的ｖｌ．Ｏ版本、支持多级流表和组表的ｖｌ．ｌ版本、支持多逡逑控制器的ｖｌ．２版本、长期稳定维护的ｖｌ．３版本、支持流表同步机制的ｖｌ．４版本逡逑发展到最新的ｖｌ．５版本。本节将以长期稳定的ＯｐｅｎＦｌｏｗ邋ｖｌ．３版本为基准，对逡逑ＯｐｅｎＦｌｏｗ协议进行相关讲解。逡逑ＯｐｅｎＦｌｏｗ的设计思想就是让分离开的数据平面的转发设备各自维护一个或逡逑者多个流表，所有接收到的数据分组均以数据流的形式根据流表进行转发，没有逡逑相应流表，就请求控制平面为该数据流路由并下发流表再进行处理。接下来，，本逡逑节将详细讲解此过程中涉及到的中间环节，包括协议消息类型、流表结构、数据逡逑分组具体处理流程。逡逑ＯｐｅｎＦｌｏｗ协议是通过对不同类型的数据流分别处理来实现控制平面对底层逡逑
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP393.02

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本文编号：2623289