基于交换机迁移的SDN控制器负载均衡研究

发布时间：2020-06-13 22:53

【摘要】：近年来,随着各大网络产商相继采用SDN架构,SDN逐渐成为网络领域研究的热点。与传统网络不同,SDN将网络中的数据转发与转发控制相分离,实现了网络的集中控制。由于控制器承担着SDN网络中大量的处理任务,在大规模网络中,通常采用多控制器部署方式,以满足处理请求,但多控制部署方式同时带来了控制器负载不均衡的问题。本文针对SDN中控制器负载不均衡问题,进行了如下工作:首先,提出了一种基于改进模糊多目标粒子群算法的交换机迁移策略(FMOPSO-DSMS)。通过对SDN控制器负载均衡问题建模,将其转换成交换机迁移策略的选择问题,并构建了以控制器集群负载均衡度,平均传输时延和交换机迁移开销作为优化目标的多目标优化模型。针对该多目标优化模型,采用改进后的模糊多目标粒子群算法进行求解。在求解过程中,为了提高外部档案中粒子种群的多样性,对模糊多目标粒子群算法进行改进,引入了基于小生境数的外部档案更新策略。然后,设计了一种基于交换机迁移的三层结构的负载均衡框架MCD。通过在控制器集群之上添加一个控制器管理层,对整个控制器集群的负载均衡进行管控。其中的负载监测模块主要负责收集控制器集群的负载信息,并决定是否执行交换机迁移,决策模块负责使用模糊多目标粒子群算法计算出最优的交换机迁移策略,动作模块负责执行具体的交换机迁移动作。为了避免交换机迁移过程中,控制器之间因同步而产生大量通信开销,同时设计了一种适合该负载均衡框架的交换机无缝迁移机制。最后,通过Mininet仿真平台和Floodlight控制器搭建的SDN多控制器网络,对改进的FMOPSO、FMOPSO-DSMS和设计的负载均衡框架MCD进行验证,最终实验结果表明:基于小生境数的外部档案更新策略能较好的维持外部档案的种群多样性和分布均匀性能;提出的FMOPSO-DSMS与DSMA和M-DSMA相比,在有效实现控制器负载均衡的同时,能减少网络中的平均传输跳数及交换机迁移数量,降低网络的传输延时和执行交换机迁移的代价;所设计的三层负载均衡框架MCD能有效实现控制器集群负载均衡,提高网络的性能。
【图文】：

架构图,架构,交换机,控制层

哈尔滨工程大学硕士学位论文机组成。数据层中的交换机主要负责根据控制层下发的流表项，对转发，同时还负责数据流的统计信息收集[21]。随着云计算和网络虚基础设施层中的交换机已不仅局限于物理交换机，也可以是支持 Op交换机，如 Open vSwitch。上面是控制层，也称为网络操作系统层或控制平面，是整个 SDN 的核是由一系列运行特定网络服务的服务器组成，这些服务器称为控制理来自数据平面的请求，网络拓扑发现与管理，负责控制逻辑策略发路径，并向上层提供开放的编程接口。转发层与控制层之间通过者之间通过 OpenFlow 协议和 TCP 协议实现通信[23]。控制器可以通的交换机下发流表项和各种控制命令，实现对转发层中的 OpenFlo

表项,字段

据平面分析中的数据平面，通常是由 OpenFlow 交换机组成，主要负责数据的交换机中存储着多条流表，每条流表中包括多个流表项。多条流表序，其中优先级最高的是流表 0，在匹配时首先匹配该流表中的流的流表项都不匹配时，则继续按照优先级顺序依次匹配其余的流表 2.2 所示，流表项中包括匹配字段、优先级字段、计数器字段、指和 cookie 等字段[26]。其中匹配字段用于数据包和流表项的匹配，，其P 中的常用的包头域，如 MAC 地址、IP 地址、TCP/UDP 端口等；流表项的优先匹配顺序；计数器字段用于与该流表项匹配的流的相与该流表项匹配时，流表项中的计数器字段就会更新；超时字段用时时间，在流表项超时后，该流表项就会失效，需要重新添加；指如何对数据包进行处理；cookie 是由控制器使用的不透明值，在控息，流添加，修改，删除时使用。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP393.0;TP18

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