基于快响应与低开销的SDN分布式控制策略研究

发布时间：2020-07-23 03:24

【摘要】：随着数据流量与网络规模的不断扩张,传统网络结构在处理各种网络事件的能力上面临巨大的挑战。相反,SDN(Software-Defined Network),即软件定义网络,通过将控制层与数据转发层解耦合,从而提升网络的控制管理能力与对网络事件的响应能力。网络事件可大致分为内部事件与外部事件,前者通常为控制层对网络的自发调整,如主动修改路由规则等;而后者通常以网络故障等方式呈现,如节点或链路断开等,这些网络故障通常需要控制层的快速处理,从而确保网络的正常运行。在SDN分布式控制中,传统控制采用强一致性控制方法,保证各个控制器网络状态信息的一致。在对网络进行管理的过程中,确保控制器在进行每一项网络操作前,所有控制器中的网络信息是一致的,这有利于网络控制层能对网络故障进行最优的决策,但确认一致的过程会造成较大的时间开销。在最近对SDN分布式控制的研究中,为了提升控制层对网络故障的响应速度,提出了基于最终一致的控制方法,最终一致性并不强调各控制器的网络信息时刻都保持一致,而是在处理之后某个时间点网络状态信息一致即可。但由于最终一致控制方法在响应过程中简化了控制器之间的协调,会导致控制层对同一个网络事件进行了若干次重复响应的现象,从而带来了多余的控制开销。本文通过对强一致性与最终一致性控制方法的分析,在最终一致的方法上,提出一种快速响应同时减小多余控制开销的SDN分布式控制机制。针对最终一致控制方法冗余控制的问题,本文借鉴无线传感器等网络中“骨干节点”的思想,提出在SDN控制层中选取用于处理网络故障的响应控制器节点集。分析了该响应控制器节点集合应用于控制层时所需具备的基本条件,从图论的角度提出了该节点集合的优化问题并利用图论中的同类问题提出了该优化问题的解为最小主宰域。在响应控制器节点集合的基础上,分析了网络事件在控制层中的转发过程,提出了网络事件在控制层中的转发与处理算法,并通过实验验证了算法具备快速响应与降低控制开销的特点。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP393.02
【图文】：

过程图,网络事件,控制方法,过程

图 1-1 Raft 控制方法处理网络事件过程将所有节点分为主节点（Leader），从节点（Follower）以及候选节点（Cand负责解析系统事件（如系统故障等），因此当从节点接收到网络事件（过将网络故障转发至主节点（过程②）。主节点记录系统事件，在执行更新计络事件转发给各个从节点进行确认（过程③）；各个从节点接收到网络事事件记录在节点的事件记录中，并向主节点发送确认信号（过程④）；当半数以上从节点的确认信号后，将计算该次网络更新，并将该更新下发以进行协商确认（过程⑤）；从节点接收到主节点的更新信息后进行确认送确认信号（过程⑥）并接受该更新，确认之后将该更新记录在更新多数从节点的更新确认后，主节点才会进行该次更新操作，并将控制指控制器去执行更新操作（过程⑦），更新完成后系统继续运行。当系统中

过程图,网络事件,控制方式,过程

anda 等人创新性地将 Gossip 机制应用到 SDN 分布式控制中，从而提出简化一致性算法的 SDN 控制[8]。SCL 同样强调最终一致性，而且假设所是单纯的有应必答的同类控制器。SCL 的流程如图 1-2 所示，具体为：生时，为了保证网络的鲁棒性，SCL 会将网络事件发送给整个控制层的①）。由于控制器都是有应必答的同类控制器，在接收到网络事件时都更新操作（过程②）。网络事件到达各个控制器的时间有先后，因此各个同时间点接收并响应该网络事件。SCL 会通过 Gossip 机制周期性地交新记录，以确保控制层的最终一致性（过程③）。由于 SCL 的控制器在有经过控制器间的协商这一过程，网络事件转发至控制层请求处理时，会在接收到事件时立刻执行更新操作，因此网络事件被响应的速度明显法。但由于网络事件是转发给整个控制层的，而每个控制器都是有应必致了对于同一个网络事件控制层进行了多次重复的更新操作，而这个在会带来较为沉重的控制开销。

结构图,网络框架,传统网络,解耦合

图 2-1 SDN 网络框架图络结构不同，SDN 网络将网络的控制层与数据层解耦合，能力。图 2-2 为传统网络结构图，可以看到传统网络中交通过一定的逻辑协议进行数据流量的控制；图 2-3 为 SD辑控制功能完全从交换机中解耦合出来，并且通过某一特从而进行全网的控制管理，图中的虚线表示控制器在逻辑SDN 网络在对全网的优化管理能力上比传统网络更具有

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