软件定义网络中的动态负载均衡与节能机制
发布时间：2021-04-15 20:03
软件定义网络（Software Defined Networking,SDN）作为一种新型的网络范式,解决了网络协议臃肿、网络创新困难等问题,但仍面临着诸多挑战如负载均衡与节能.为了应对这一挑战,本文设计了一种动态机制用以解决SDN面临的负载均衡与节能问题.首先,本文提出SDN负载均衡与节能机制的框架.整个框架分为流量监测机制、路由和流调度机制、OpenFlow协议部分和基础设施部分.其中,流量监测机制负责监控网络近似实时的状态,实现数据流级别的流量测量;路由和流调度机制负责在对即将休眠或可能出现拥塞的链路进行流调度;OpenFlow协议负责控制平面和数据平面之间的交互;基础设施部分在转发数据的同时负责数据流路径快速地安装和更新.其次,本文设计了一种基于网络整体流量和数据流速率变化的动态轮询算法,实现了以较小的开销获得流级别的流量测量.然后,本文提出一种基于链路偏好的随机路由算法和两种流调度算法以实现SDN的动态负载均衡与节能.在路由算法中,本文综合负载均衡与节能两个因素,将链路利用率映射为链路的偏好,根据链路的偏好对链路上的流量进行调控,进而使得数据流在路由阶段就能实现负载均衡与节能...
【文章来源】：计算机学报. 2020,43(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
系统框架图
由于链路是全双工的工作方式，因此本文将一条真实的网络链路抽象为两条反向的逻辑链路，每条逻辑链路对应一条有向边，如图2所示．每一条有向边用edge(id,s,t,ports,portt,state,bw,rw,capacity,ratio,favor,lifelow,lifehigh,flowset）表示．其中id为边的标识，s代表边的出节点，t代表边的入节点，ports代表出端口，portt代表入端口，stateF为边的状态，表示边的休眠或开启．bw为边的占用带宽，rw为边的剩余带宽，capacity为边的带宽容量，ratio为边的带宽利用率，favor为边的偏好权重．lifelow和lifehigh是为了防止边被频繁休眠或唤醒而设置的缓冲生命值，lifelow为边带宽利用率低于阈值的生命值，lifehigh为边带宽利用率高于阈值的生命值，其作用与流表项中的空闲超时相似，当一条有向边利用率低于某阈值时，其lifelow逐渐递减；当其利用率一旦超过阈值，则其lifelow将恢复到初始值，当且仅当有向边的lifelow小于0时，有向边被休眠．flowset为经过这条边的所有数据流id集合．每条有向边的能耗与其出端口相关联，如图2所示，edge1的能耗为port1的能耗，edge2的能耗为port2的能耗．假设休眠的边的能耗为EEdgesleep，开启状态的边的能耗为EEdgewake，则EEdgesleep和EEdgewake的计算分别如式（6）和（7）所示．
基于链路偏好的随机路由算法（Preference-based Random Routing algorithm,PbRR）的特点是随机性与动态性．其随机性体现在选择下一跳的过程中．采用了Softmax的思想，对于当前网络状态有利的下一跳并不是一定选择，而是赋予其较大的被选概率，同样对于当前网络状态不利的下一跳赋予其较小的被选概率．其动态性体现在偏好随有向边带宽利用率和网络流量动态变化，如图3所示．本文将有向边的利用率通过函数映射为偏好，转化曲线是一条对称的凸曲线，其对称轴就是活跃链路的平均利用率，当网络整体流量偏低时，利用率与偏好的映射曲线如曲线1所示，随着网络整体流量的上升，整个曲线随之向右移动，如曲线2或曲线3所示．以曲线2为例说明它为什么能同时实现负载均衡与节能的效果：当活跃链路的利用率在对称轴左侧时，若利用率相对较低，其偏好映射也将非常低，进而导致这条链路被选中的概率很小，对于新到达网络的数据流起到抑制的作用，经过一段时间，它的利用率甚至可能会下降到0，此时这条链路就进入到休眠状态；若利用率相对较高，那么该链路将很容易被数据流选中，使得它的利用率上升，偏好也随之上升，这将对它起到一个促进作用，使链路的利用率向均值靠拢．当活跃链路的利用率在对称轴右侧时，假定其被大象流选中，利用率迅速上升，偏好则会随之下降，这将抑制该链路被新的数据流选中，从而可以有效缓解链路的拥塞．
本文编号：3140002
【文章来源】：计算机学报. 2020,43(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
系统框架图
由于链路是全双工的工作方式，因此本文将一条真实的网络链路抽象为两条反向的逻辑链路，每条逻辑链路对应一条有向边，如图2所示．每一条有向边用edge(id,s,t,ports,portt,state,bw,rw,capacity,ratio,favor,lifelow,lifehigh,flowset）表示．其中id为边的标识，s代表边的出节点，t代表边的入节点，ports代表出端口，portt代表入端口，stateF为边的状态，表示边的休眠或开启．bw为边的占用带宽，rw为边的剩余带宽，capacity为边的带宽容量，ratio为边的带宽利用率，favor为边的偏好权重．lifelow和lifehigh是为了防止边被频繁休眠或唤醒而设置的缓冲生命值，lifelow为边带宽利用率低于阈值的生命值，lifehigh为边带宽利用率高于阈值的生命值，其作用与流表项中的空闲超时相似，当一条有向边利用率低于某阈值时，其lifelow逐渐递减；当其利用率一旦超过阈值，则其lifelow将恢复到初始值，当且仅当有向边的lifelow小于0时，有向边被休眠．flowset为经过这条边的所有数据流id集合．每条有向边的能耗与其出端口相关联，如图2所示，edge1的能耗为port1的能耗，edge2的能耗为port2的能耗．假设休眠的边的能耗为EEdgesleep，开启状态的边的能耗为EEdgewake，则EEdgesleep和EEdgewake的计算分别如式（6）和（7）所示．
基于链路偏好的随机路由算法（Preference-based Random Routing algorithm,PbRR）的特点是随机性与动态性．其随机性体现在选择下一跳的过程中．采用了Softmax的思想，对于当前网络状态有利的下一跳并不是一定选择，而是赋予其较大的被选概率，同样对于当前网络状态不利的下一跳赋予其较小的被选概率．其动态性体现在偏好随有向边带宽利用率和网络流量动态变化，如图3所示．本文将有向边的利用率通过函数映射为偏好，转化曲线是一条对称的凸曲线，其对称轴就是活跃链路的平均利用率，当网络整体流量偏低时，利用率与偏好的映射曲线如曲线1所示，随着网络整体流量的上升，整个曲线随之向右移动，如曲线2或曲线3所示．以曲线2为例说明它为什么能同时实现负载均衡与节能的效果：当活跃链路的利用率在对称轴左侧时，若利用率相对较低，其偏好映射也将非常低，进而导致这条链路被选中的概率很小，对于新到达网络的数据流起到抑制的作用，经过一段时间，它的利用率甚至可能会下降到0，此时这条链路就进入到休眠状态；若利用率相对较高，那么该链路将很容易被数据流选中，使得它的利用率上升，偏好也随之上升，这将对它起到一个促进作用，使链路的利用率向均值靠拢．当活跃链路的利用率在对称轴右侧时，假定其被大象流选中，利用率迅速上升，偏好则会随之下降，这将抑制该链路被新的数据流选中，从而可以有效缓解链路的拥塞．
本文编号：3140002
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